复采煤层掘进工作面综合支护

＊张泽州

（山西焦煤集团临汾宏大矿业有限责任公司 山西 030000）

1.立项原因及背景

某矿是“三整一”的整合矿井，主采2#煤层，整合前由于小煤窑的私采乱挖，同时，小煤窑受到资金及技术力量的困扰，窑主急功近利，选取了以最少的投入取得最大效益的粗放式经营，对2#厚煤以掘代采，遗留下大量的巷采残留煤柱，这样就造成煤炭资源极大的破坏和严重浪费。小煤窑巷采后在上层留下了大量的空巷与采空区，对本煤层的顶板造成很大的破坏，由于2#煤层为配焦煤，虽然残留煤柱多，但复采价值也较高。煤矿整合后，经现有采掘工作面揭露，对该区域煤层已造成不同程度破坏，采空区、废弃巷道从煤层顶部、中部到底部随处可见，而且空顶、空帮严重、压力大，局部地段有滴水和渗水现象。造成掘进工作面顶板管理困难，对矿井安全生产造成极大的影响和威胁。

2.研究内容及创新点

(1)研究内容

在8107工作面采集煤样、岩样，在岩石力学实验室进行岩石力学实验，以测定其泊松比、弹性模量、剪切模量等力学性能指标。现场实测分析5107掘进工作面矿压显现规律，分析典型复采煤层邻采邻掘期间掘进工作面矿压显现特征，对易出现片帮等情况进行分类统计，为确定合理的支护方式提供理论依据。

研究2#复采厚煤层工作面两侧的应力场，并采用FLAC3D进行数值计算与分析，分析两巷矿压变形规律及不同煤柱下巷道受力情况，以得出巷道合理的支护方式。采用现场调查与资料收集、实验室测定、理论分析、数值计算、工程类比、现场监测以及工业试验相结合的方法进行研究。

2#煤层呈黑色，煤质较硬，具深褐色条痕，位于山西组中部，上距K8砂岩约14.33m，下距K7砂岩约6.56m。煤层厚度为3.5m-6.3m，平均5.6m，煤层结构简单，局部含1-2层夹石，厚度为0.1m-0.4m，局部0.8m左右。煤层倾角9°～ 14°，平均12°，为缓倾斜煤层。2#煤层的顶底板情况如表1所示。

表1

通过分析工作面两侧的应力场，以及变形与破坏规律，上分层采空区的存在会减轻下层煤开采时工作面支护装备承受的矿山压力；上分层残留煤柱的存在，因煤柱传递上覆岩层的压力而使得下层煤开采的工作面穿越煤柱下方时，工作面支护装备承受的矿山压力要大。

随巷道掘进不断向前掘进，巷道顶部岩石因为之前的破坏，不断破裂，以及游离岩石的集聚就会造成岩体的连接处岩体松动。在开采行动中，顶部的岩层与底部岩体逐渐的失去支撑，掘进巷道收到地应力的作用，巷道支护采用的工字钢棚支护受压，从而出现变形，增加冒顶概率，给施工和安全管理带来一定难度。只有提高支架的支撑强度，用加强支护的方式去控制或减少围岩变化，增强巷道抗变形能力以对付矿压的作用。

围岩压力测试方法

①日常观测时，间隔45m一组在巷道中设置矿压观测点；当一些重点区域如巷道交叉、巷道贯通、地质构造、矿压显现发生异常，并由专人负责严格按照台账记录填写，并做好记录。每一个新设立的观测地点一周之内每班需安排人员观测并记录，一周以后如无异常变化可以改为每星期修改一次观测数据并填写规范。

②通过观测，对数据进行分析、判断，对不同的支护形式比对变形量，针对性采取顶板支护管理措施，最终确定合理的支护方式。根据对比的相关结论来指导作业规程的设计，指导现场的支护作业，遇到问题和新情况积极钻研改进工艺并采取措施，这样就能将支护做到最优并最终得到一个合理的解决方案。

③掘进队组严格按规定对巷道支护的变形量进行统计，设专人进行矿压观测，并做好观测记录。

④对矿压的全过程管理不仅仅是对在掘的头面采取支护情况的监控，每一班的相关队伍管理人员也要带着问题入井，当检测到两帮支架变形严重、顶部有明显变化时必须及时汇报队值班室及调度室。

⑤在掘进过程中地质条件发生变化时，相关工程技术人员必须立即对遇到的情况进行核实观测并将现场的变化因素记录在台账上，矿技术科也要派人进行核实，并将一手资料进行专项分析，形成材料后有技术科长对矿分管领导进行汇报，共同拿出解决方案，并转达给施工单位，由施工单位进行落实，确保安全。

⑥围岩压力的测定和分析要严格按照我矿顶板管理相关规定执行，以求得到最精确、最有效的第一手资料，要建立全员、全过程、全方位的“三全”质量保证体系，确保矿压观测工作落实到位。管理人员必须亲自抽测、组织现场整改，严把质量关，发现问题及时整改，排除隐患。

根据实际地质情况，有两种方案：

方案一：我矿原来采用的矿用11#工字钢梯形支架在遇顶板破碎、采空区、空巷等压力大或是巷道顶部来压时，不能有效地抗压，巷道棚梁迅速弯曲，当巷道的两帮出现位移变形时，经过观察棚腿常常出现弯曲变形，分析原因为架棚时横梁与纵梁未进行有效的链接，这就导致了巷道的支护出现失效巷道的断面无法满足设计要求，且棚架变形以后支护失效又会导致顶帮的网报和片帮现象，巷道需要翻修才能满足生产使用的要求，这样增加了施工的投入还浪费了材料，给正常生产秩序带来了巨大的负面影响，导致工期无法按时完成，影响采掘衔接，增加了巷道掘进的投入。

我矿在其原有的支护上进行了改进，即采用矿用11#工字钢梯形支架喷砼联合支护并打木点柱加强支护。在掘进过程中遇顶板破碎、采空区或空巷等压力大时，根据实际情况棚距由500mm缩小至300mm，增加了支护密度。这种综合支护方法能有效的控制顶板，增加抗压性，加快掘进速度，确保了采掘正常接替，在掘进作业中有效杜绝工作面漏顶等情况的发生，由于强度的提高，棚架的抗压能力得到了大幅度增强，需要修整的巷道少了，工人的工作量也就少了，劳动强度和安全性能就提升了，带来了巨大的安全经济效益。

方案二：使用刚性（工字钢）支架的矿井，回收复用的支架占很大的比例，有的回收支架发生塑性变形，修复再用时承压能力降低，且支架在应力集中地段及大断面地段的顶板承受不均匀载荷（承压能力不足）时，棚架容易发生破坏。通过对原方案采取研究调查，我们在顶梁与纵梁间加设两处斜撑，链接通过采用焊接螺丝和u型卡来实现，这样就加强了横梁和两根纵梁的联系，能显著改善在巷道应力不均匀分布下的受力状态，有效抵抗棚梁变形及巷帮围岩应力，降低了返修棚率，减少了工程量，降低了工人的劳动强度。

(2)创新点

①我矿采用风镐手工作业、“留肚掏槽”的掘进工艺掘进，以及采用矿用11#工字钢梯形支架喷砼联合支护并打木点柱加强支护技术，工字钢棚支架的价格为1126.8元/架，井下安装一架的价格为300元；其它单位有的使用双梁并焊支架，双梁并焊支架的价格为2253.6元/架，井下安装一架的价格为500元。每架成本相差1326.8元，其成本高，投资大，施工不方便。

②由于刚性（工字钢）支架支护顶梁在应力集中地段承压能力不足，易发生弯曲；根据观察受侧压影响，棚腿上部0.8m-1.0m处、下部0.8m-1.0m处易发生弯曲变形；棚腿与顶梁易发生脱口。根据刚性（工字钢）支架特点设计成刚性（工字钢）斜撑支架，把支架顶梁由单跨等截面两端自由支承梁变为等距等截面连续支承梁，增大承压能力，即在顶梁与纵梁间加设两处斜撑，链接通过采用焊接螺丝和u型卡来实现。斜撑梁下部斜撑点位于棚腿上部0.8m-1.0m处，使用斜撑梁能较好地承受顶部载荷的不均匀分布，克服了棚腿上部0.8m-1.0m处受侧压易发生弯曲变形的缺点，有效抵抗棚梁变形及巷帮围岩应力。

③我矿在掘进过程中遇顶板破碎、采空区或空巷等压力大时，根据实际情况棚距由500mm缩小至300mm。增加了支护密度，提高了支护强度，有效的控制了顶板，减少了事故发生。

3.应用情况

（1）8109工作面的掘进采用风镐手工作业、“留肚掏槽”的掘进工艺掘进，以及采用矿用11#工字钢梯形支架喷砼联合支护并打木点柱加强支护技术，保证了掘进工作面对顶板的安全管理，并取得掘进零伤亡的成绩。

（2）2109顺槽皮带机头断面大、受侧压大影响及顺槽的应力集中地段，支架发生棚腿与顶梁脱口，往往进行复修或者更换支架，工程量大，施工不方便，影响其它工作，并且与相邻支架连接的拉杆遭受破坏，破坏了支架的整体性。斜撑梁支护可克服以上缺点。2015年1月安装了斜撑梁支护，再未发生变形。

（3）2109顺槽在掘进过程中遇到采空区时，顶板压力较大，原支护棚间距太大，造成工字钢变形严重，不能有效支护顶板，经研究决定，视施工情况，将棚距由原500mm缩小为300mm不等；支护棚腿须穿长400mm、宽200mm、厚100mm的木靴；在距离迎头20m的巷道开始必须上好斜撑梁；并进行喷浆加固；必须在棚梁下打木点柱和棚梁两端打液压支柱，液压支柱和地面呈60°角左右，棚腿间必须用背板背实，防止支架发生推撵和变形。

4.社会经济效益

（1）8109工作面在掘进过程中由于煤体酥，复合顶板稳定性差，无法用掘进机械，只能用风镐人工清掏，并采用矿用11#工字钢梯形支架喷砼联合支护，对压力大的地方打点柱，加强了支护强度，保证了施工质量，加快了掘进速度，减少掘进过程中漏、冒顶现象的发生，降低了返修棚率（安装斜撑梁后，应力集中地段、大断面地段没有进行复修），减少了工程量，降低了工人的劳动强度，保障了作业安全。

（2）2109顺槽皮带机头处由于断面大、受横向侧压影响以及掘巷过程中受采空影响产生的应力集中区域，工字钢棚的棚腿与顶梁链接处受压较大容易脱口，且相邻棚架间链接的撑杆易遭受破坏，影响棚架的整体性，使用过程中需要常常复修或者更换棚架，影响平行工序的作业，对掘进效率和安全产生较大的影响。2015年1月安装了单跨（单根）斜撑梁支护，再未发生变形。斜撑支架投资小、斜撑梁长度较短，利用加工工字钢梁所剩的短截、废旧或回收的工字钢制作，且制作简单、安装方便、安装时对其它工作影响较小，施工时间短、见效快、施工安全。8109工作面大断面、应力集中地段工字钢棚共计100架，按复修率为30%计算，复修一架工字钢棚的价格为920元，安装一根斜撑梁的价格为20元。复修总计需27600元，安装斜撑梁费用为2000元，累计节省工费25600元。斜撑梁回收再利用率级高（可重复利用），具有广泛推广价值和前景。

（3）掘进工作面顶板综合支护法有效降低顶板事故发生几率，保证了按时完成掘进圈出工作面，对保证矿井的采掘衔接，促进安全生产祈祷了积极作用，2109掘进工作面掘进断面为11.76m，设计长度为1370m，计划从2014年12月掘至2016年1月，实际按要求保质保量完成，确保了采掘正常接替，保证了复采矿井能够按传统生产矿井正常运转。

（4）便于合理制定材料消耗计划，避免材料的过度消耗浪费，降低企业成本，每根工字钢棚腿（梁）的价格为375.6元，修复一根棚腿（梁）的价格为15元。斜撑梁长度较短，利用废旧或回收的工字钢制作，可节省材料费360.6元/根。8109工作面共安装斜撑梁100根，累计节省材料费36060元。

（5）复采煤层掘进工作面顶板管理技术有效降低整合小煤窑掘进期间所投入的人力物力，可推广至掘进条件类似的资源整合矿井。

5.总体性能指标（参照集团公司大型煤矿矿井）

我矿属于资源整合矿井，所采煤层是大部分已遭破坏的复采煤层，不是原始煤层。由于复采煤层顶板的不完整性，地质资料的缺乏，导致了小煤窑采空区及空巷数量、位置、范围不详。造成掘进工作面顶板管理困难，对矿井安全生产造成极大的影响和威胁。而集团公司的大型矿井，都是经过科学合理地设计和规划的原始煤层，掘进工作面采用综掘机，顶板安有离层仪，可以有效的控制顶板，避免事故的发生。我矿所采煤层是复采煤层，煤层已造成不同程度破坏，采空区、废弃巷道从煤层顶部、中部到底部随处可见，工作面选用G7风镐掘进，工作面容易出现漏、冒顶现象，且工作面不能采用顶板离层仪监测，只能采用人工观测、测量的办法。这就给掘进工作面顶板管理造成了较大的困难和压力。而集团公司的大型煤矿工作面采用的造价高性能强综掘机，有利于控制工作面顶板，且工作面还安有顶板离层仪，有利于加强顶板的矿压观测。

6.结语

经过实践验证，确认复采煤层掘进工作面顶板综合支护法行之有效，为整合小煤窑寻找了一种安全高效的掘进期间顶板管理方法，有效降低整合小煤窑掘进期间所投入的人力物力，取得了明显的经济和社会效益，可推广至掘进条件类似的资源整合矿井。