切顶卸压自动成巷支护工艺研究

王旭满

（山西高平科兴新庄煤业有限公司，山西 高平 048400）

1 工作面概况

高河能源矿业位于山西省长治境内，区域批复可采煤层为4#煤层，401综采工作面为4#煤层的首采面，工作面全长480m，煤层平均厚度为2.8m，采高约为2.1m，4#煤层伪顶为炭质泥岩，平均厚度为0.6m，直接顶为砂质泥岩，平均厚度4.88m，基本顶为细粒砂岩，平均厚度8.4m，直接底为砂纸泥岩，平均厚度3.23m，根据矿压观测结果显示，工作面初次来压的步距大约在26～28m之间，来压最大强度为62MPa，工作面周期来压的步距大约在18-22m之间，来压最大强度为66MPa。

2 切顶卸压顶板力学特征

在进行切顶卸压自动成巷工艺后，随着工作面的推进，直接顶垮落，基本顶悬露的面积不断增加，当基本顶的上覆载荷超过其承载极限时，会出现基本顶垮落坍塌的现象，并对沿空留巷产生较大的影响，具体表现为以下两点：

1）由于基本顶悬顶位于沿空巷道的顶部，在重力的作用下，存在于基本顶与上覆岩层中的接触面扩张，接触应力会明显降低，基本顶与上覆岩层由于变形的不一致性会逐渐出现层间的错位、偏移现象，最终在对两者的接触面形成一定程度的剪切破坏[1-2]。

2）在基本顶悬顶的作用下，巷道内部应力出现积聚现象，特别是位于采空区一侧的巷道，其顶板下沉量与顶板离层现象要远远高于巷道内的其它区域，巷旁支护也会由于悬顶梁的旋转而产生较大的困难[3]，此时，需加强巷道的支护强度，避免因支护强度过低而造成支护设备被压死、甚至是压垮的现象。

3 切顶卸压自动成巷支护优化设计

3.1 端头支架优化设计

随着401综采工作面的推进，对采空区的垮落情况及巷道围岩的变形情况进行实测分析，监测数据显示，401工作面在顶板初次来压后，运输顺槽出现了大面积的悬顶，顶板垮落现象较为严重，工作面在周期来压后，采空区上覆岩层出现了较大范围的贯通裂隙，工作面端头支架对顶板锚索、网片造成了较为严重的破坏，为保证巷道顶板的稳定性，现对端头支架进行优化设计，具体优化工艺如下：

1）当401综采工作面推进到切眼位置时对1#端头支架进行回撤；

2）对焊接推拉头进行重新加工，具体做法为：采用不小于20mm的厚钢板制作四块加高块件（加高块四周需焊接起吊环），并在加高块的中部设置防压块件，各防压块件采用12#工字钢均匀布置；

3）对2#端头支架向机尾处进行偏移，偏移距离为300mm；

4）对3#端头支架向机尾处进行偏移，偏移距离为1100mm；

5）在端头支架上方焊接加高块件，保护顺槽锚索不被破坏。

端头支架优化布置断面图与设计三视图如图1、图2所示。

3.2 顶板挂网优化设计

为防止采空区的矸石垮落进入到巷道内部，一般通过对工作面端头支架处架设铁丝网、钢丝网等技术手段阻止矸石的滑入，即将铁丝网的两端分别与端头支架、顶板进行搭接，进而形成一层保护网，阻挡矸石的进入[4]。在工程施工中，在多处侧帮铁丝网中出现了“网兜”的现象，在很大程度上阻止采空区矸石进入巷道的同时，也对巷道的整体成巷以及后期的喷浆加固处理带来了不利影响[5]，因此，现对顶板挂网进行优化设计，以保证整体成巷的效果。

图1 端头支架优化布置断面图

图2 端头支架优化设计三视图

“网兜”的形成是造成整体成巷的最直接因素，因此，对“网兜”的优化处理的是研究的重点，在施工生产中，完全将“网兜”去除、避免“网兜”的出现都是难以实现的，因此，尽量避免“大网兜”的出现，减小“网兜”出现的数量是施工的目标。

在对支架顶部进行铁丝网铺设时，需保证铺设长度与工作面长度保持一致，铁丝网的搭接长度可由公式（1）确定。

式中：Ld、L、Ly分别为铁丝网的搭接长度cm。铁丝网宽度cm和铁丝网压底长度cm；H为巷道高度cm；d为水沟沟深cm。

3.2.1 优化设计方案

为确定出最佳试验方案，试验共制定4阶段的分组试验，试验段编号分别为A、B、C、D试验段，各阶段的试验巷道长度为10m，高度为2.3m，各试验段的位置示意如图3所示。

由巷道高度将网和顶板两者搭接的宽度进行设定，本次设计想将最佳试验效果确定出来，共制定了A到D四个不同的试验阶段。每个阶段的巷道高均为2.3m，长度均为10m。具体阶段位置见图3。

图3 各试验段位置示意图

各试验段参数设置如下：

A试验段：设定铁丝网与顶板的搭接长度在0.65 m～0.9m之间，通过公式（1）可确定出另一端压底的长度在0.6m～0.85m之间；

B试验段：设定铁丝网与顶板的搭接长度在0.9m～1.15m之间，通过公式（1）可确定出另一端压底的长度在0.35m～0.6m之间；

C试验段：设定铁丝网与顶板的搭接长度在1.15m～1.3m之间，通过公式（1）可确定出另一端压底的长度在0.2m～0.35m之间；

D试验段：设定铁丝网与顶板的搭接长度在1.30m～1.50m之间，通过公式（1）可确定出另一端压底的长度在0m～0.2m之间。

对试验各设计方案进行实施，对各试验段产生的网兜尺寸进行监测，利用反馈回的数据对方案随时调整，在施工过程中，为避免安全隐患，对于出现的网兜，在监测记录的同时，需将铁丝网一端与网兜起始处进行搭接，另一端埋设在水沟中，防止矸石落入巷道，影响工作面正常生产。

3.2.2 试验效果分析

按照预设方案对各试验段产生网兜的具体情况进行监测，监测的主要参数包括网兜高度以及网兜深度，A、、B、C、D试验段距工作面距离与网兜深度、高度的关系曲线分别如图4、图5所示。

图4 A、B、C、D试验段距工作面距离与网兜深度关系曲线图

对图4、图5进行分析可知，随着工作面的持续推进，布设的铁丝网随矸石数量的增加出现了网兜，网兜的深度、高度与铁丝网的搭接长度与压底长度有着直接的关系，通过图示，可以看出，在各试验阶段中，网兜效果最好的一组为C试验段，即当铁丝网搭接长度为1.15m～1.40m，压底长度为0.2m～0.35m时，试验效果最好，其产生的网兜高度在5cm～25cm之间，网兜深度在3～18cm之间，该试验方案能够较大程度地利用材料，有效阻止采空区矸石蹿入巷道，保证施工的安全性。

图5 A、B、C、D试验段距工作面距离与网兜高度关系曲线图

4 结 语

采用切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术后，巷道靠近采空区的帮部主要是以采场顶板岩石为基础，随着工作面的推进，位于采空区一侧的巷道顶板应力积聚，给巷道支护带来较大困难，针对高河能源401综采工作面在周期来压后，采空区上覆岩层出现了较大范围的贯通裂隙，工作面端头支架对顶板锚索、网片造成了较为严重的破坏的问题，进行了端头支架优化设计与顶板挂网的优化设计，有效地保证了巷道顶板的稳定性，实现了工作面安全生产。