韓慧棟 秦 浩 李建鑫

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

伯方煤礦采煤工作面存在設(shè)備布置多、頂?shù)装宄惺艿牡V壓大、人員管理復(fù)雜等現(xiàn)實(shí)問題。工作面切眼與上下順槽連接處的端頭是人員行走、拉煤運(yùn)輸主要通道，該地點(diǎn)懸頂面積大，且承受著來自采空區(qū)和周期來壓的頂?shù)装鍓毫Γ约懊合飪蛇吤罕诘膫?cè)向壓力等綜合壓力的考驗(yàn)，一旦出現(xiàn)問題，將直接影響采煤面的運(yùn)輸系統(tǒng)，堵塞人員撤離的安全通道。因此，采煤工作面端頭支護(hù)的加固工作是保證工作面安全回采的主要條件之一。

1 概述

伯方煤礦采用立井單水平盤區(qū)開拓方式，目前主要在+810水平開采3#煤層，核定生產(chǎn)能力為176萬t/a。礦井水文地質(zhì)類型劃分為極復(fù)雜，地質(zhì)類型劃分為中等。礦井正常涌水量為149m3/h，最大涌水量為224m3/h。礦井有兩個(gè)采區(qū)，布置兩個(gè)采煤工作面，均采用綜采放頂煤，另有3個(gè)掘進(jìn)工作面。采煤工作面采用走向長壁沿底回采放頂煤生產(chǎn)工藝。其中3305回采工作面位于三盤區(qū)中部，盤區(qū)大巷以西，為傾向布置工作面，巷道設(shè)計(jì)長度為1940m，切眼斜長215m，煤層傾角2°～10°，平均傾角5°，巷道斷面5.4m×3.1m。斷面跨度大，頂板條件相對(duì)較差，易破碎，在切眼兩端與上下順槽交叉處，容易出現(xiàn)空頂與來壓作用影響。因此，需對(duì)端頭支護(hù)的加固施工工藝進(jìn)行摸索探究。3305工作面平面布置示意圖如圖1所示。

圖1 3305工作面平面布置示意圖

2 破碎段端頭支護(hù)

采煤工作面的端頭支護(hù)一般采用主動(dòng)形式與被動(dòng)形式兩種形式。主動(dòng)方式是通過在掘進(jìn)期間向煤層的穩(wěn)定巖層打設(shè)錨桿和錨索，起到懸吊錨固作用；被動(dòng)方式是通過在巷道回采時(shí)架設(shè)梁棚，并在棚下打設(shè)液壓單體柱進(jìn)行支護(hù)，被動(dòng)的等待頂板來壓作用在棚梁上，起到被動(dòng)等壓的效果，待來壓穩(wěn)定，重新分布，以達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。

2.1 主動(dòng)支護(hù)方式

2.1.1 錨桿支護(hù)

錨桿采用型號(hào)為Ф20mm×2.2m的高強(qiáng)度螺紋錨桿，順巷道架棚方向按照0.9m×0.8m的間排距打設(shè)，每排打7根錨桿。

在打設(shè)錨桿、錨索后，為了避免頂板周期來壓或因?yàn)榧芘?、支護(hù)質(zhì)量不合格，導(dǎo)致頂板破碎垮落現(xiàn)象發(fā)生，造成碎矸傷人事件，要在頂板鋪設(shè)金屬網(wǎng)，使金屬網(wǎng)緊貼巖面，布置4700mm×78mm規(guī)格鋼筋托梁，然后施工錨桿眼，攪拌錨固劑，并對(duì)錨桿進(jìn)行張拉預(yù)緊，起到防護(hù)效果。巷道支護(hù)示意圖如圖2所示。

圖2 錨桿錨索主動(dòng)支護(hù)示意圖（單位：mm）

2.1.2 錨索支護(hù)

在施工完錨桿支護(hù)后，需采用長孔加固的錨索進(jìn)行補(bǔ)充加強(qiáng)支護(hù)，通過不同層位的深淺孔結(jié)合，可有效對(duì)頂板不同圍巖類型進(jìn)行合理加固。選用Ф17.8mm×8m錨索，在每兩根錨索之間垂直巷道架棚方向順序固定一根錨索梁，加強(qiáng)懸頂作用，錨索梁長一般選型為2.2m，錨索間距1.8m，梁頭接觸緊密排列，錨索梁除了加強(qiáng)對(duì)頂板的主動(dòng)支護(hù)外，也能對(duì)錨桿鋼梁起到提拉加固作用。

2.2 被動(dòng)支護(hù)方式

2.2.1 架棚支護(hù)

在工作面頂板破碎地段，采用5.4m長的工字鋼鋼梁進(jìn)行雙棚架設(shè)，即每兩棚合并成為一個(gè)整體棚，既能夠有效增加背頂面積，也可以增強(qiáng)來壓時(shí)的頂幫部抗壓強(qiáng)度。由于頂板承受壓力遠(yuǎn)大于幫部煤墻外鼓膨脹壓力，因此，架棚后要在工字鋼棚梁頂部沿垂直方向依次按照間距0.3m背設(shè)背板或小原木，在背板上方再鋪設(shè)一層金屬網(wǎng)，防止破碎帶局部掉矸現(xiàn)象，在來壓時(shí)煤層垮落形成網(wǎng)兜。工字鋼棚蹬腿后，可使用雙串桿從棚梁處按照0.4m的間距依次向下背設(shè)，當(dāng)煤壁來壓、膨脹出現(xiàn)鼓包時(shí)，可剪開網(wǎng)兜，或通過施工松幫泄壓孔的方式對(duì)煤壁進(jìn)行釋放泄壓，減少對(duì)棚腿側(cè)幫的壓力影響，減少巷道變形量，提高支護(hù)強(qiáng)度。復(fù)合支護(hù)示意圖見圖3。

圖3 復(fù)合支護(hù)示意圖

2.2.2 邊路抬棚支護(hù)

對(duì)工字鋼棚的壓力來源可從兩個(gè)方向進(jìn)行分析，其一主要是來自頂板和底板的垂直方向應(yīng)力影響，主要作用在棚梁上；其次是煤壁兩側(cè)或煤壁與采空區(qū)方向橫向的壓力影響，主要作用在棚腿上。因此，為了解決側(cè)幫壓力，可在距工字鋼棚梁兩端1m處各打設(shè)一排邊路抬棚，抬棚梁采用π型梁垂直工字鋼棚方向進(jìn)行打設(shè)，在抬棚梁與工字鋼梁垂直交接的地方打設(shè)一根單體柱，使用伸縮量滿足3.5m巷高要求的單體柱，結(jié)合抬棚梁長度和巷道作業(yè)空間，使用“一梁三柱”抬棚方式，當(dāng)巷道側(cè)幫壓力顯現(xiàn)，造成棚腿憋幫變形，短期內(nèi)無法修復(fù)，失去對(duì)工字鋼棚梁的支撐作用下，邊路抬棚可加強(qiáng)對(duì)棚梁的補(bǔ)充支護(hù)作用，防止兩幫壓力不均勻，導(dǎo)致棚梁脫落和架棚變形失力的后果。

2.2.3 中路抬棚邁步掩護(hù)支護(hù)

中路抬棚主要為了輔助工字鋼棚梁強(qiáng)化對(duì)頂板來壓與底板鼓起時(shí)的垂直應(yīng)力方向的支護(hù)。在工作面正常回采生產(chǎn)期間，由于端頭施工需要對(duì)采空區(qū)棚梁進(jìn)行回收，采空區(qū)垮落頂板與切眼端頭空間的應(yīng)力分布不均，會(huì)在接觸面形成巨大的壓力，而當(dāng)端頭回棚減小抵抗應(yīng)力時(shí)，會(huì)造成采空區(qū)內(nèi)的壓力釋放，甚至造成端頭支架和抬棚推磨現(xiàn)象發(fā)生。因此，為了減小回棚時(shí)的抵抗應(yīng)力影響，可在中路施工兩排抬棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。在實(shí)際操作過程中，中路抬棚按照交替邁步式向前，當(dāng)需要回收一棚梁時(shí)，抬棚向前移動(dòng)0.6m，使抬棚末端始終緊貼于應(yīng)力結(jié)合面，當(dāng)支撐升起貼于頂板后，原來平行的另一組中路抬棚同樣向前移動(dòng)0.6m，依次進(jìn)行替換，實(shí)現(xiàn)邁步掩護(hù)支護(hù)，確保將不平衡應(yīng)力面造成的影響降到最低，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤面端頭的安全支護(hù)加固。

3 支護(hù)強(qiáng)度抗壓性分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的支護(hù)系統(tǒng)支撐效果，在工作面上下巷端頭以不同抬棚形式打設(shè)，各進(jìn)行一個(gè)月的參數(shù)收集。為了避免動(dòng)態(tài)因素的影響，根據(jù)工作面月度推進(jìn)度，在切眼外端上下巷30m處各布置一個(gè)觀測點(diǎn)，記錄原始數(shù)據(jù)，每5d對(duì)巷道頂幫移近量進(jìn)行采集。具體試驗(yàn)方法如下：

（1）首月在上端頭只打設(shè)兩邊路抬棚，不打中路抬棚；（2）次月在上端頭只打設(shè)兩路中路抬棚，不打邊路抬棚；（3）首月在下端頭按照正規(guī)循環(huán)打設(shè)兩邊路抬棚，與中路邁步交替式抬棚；（4）次月在下端頭打設(shè)兩邊路抬棚與單排中路抬棚。經(jīng)兩個(gè)月的數(shù)據(jù)采集對(duì)比，分析見圖4。

從圖4數(shù)據(jù)分析得知，隨著工作面的推進(jìn)，垂直壓力不斷顯現(xiàn)，試驗(yàn)方案3的巷道移近量最為平緩，且數(shù)值最低，說明此支護(hù)方式起到了對(duì)頂?shù)装遄詈玫闹ёo(hù)效果。

從圖5數(shù)據(jù)分析得知，隨著工作面的推進(jìn)，兩幫部受到煤體擠壓的側(cè)幫應(yīng)力作用，有無邊路抬棚的影響較為明顯，但中間抬棚的單路與雙路布置影響不大。

圖4 抬棚支護(hù)巷高變形參數(shù)對(duì)比

圖5 抬棚支護(hù)兩幫形變參數(shù)對(duì)比

綜上所述，在經(jīng)過四組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)3的整體效果較為顯著，能夠有效減小架棚巷道頂幫壓力的影響，起到良好的支護(hù)加強(qiáng)作用。

4 結(jié) 語

通過分析大采深采煤工作面端頭所承受壓力的來源，有針對(duì)性地提出加強(qiáng)支護(hù)措施并進(jìn)行方案對(duì)比分析。通過打設(shè)錨網(wǎng)索復(fù)合支護(hù)，在架棚巷道的工字鋼梁下打設(shè)兩幫部邊路抬棚，配合中路抬棚進(jìn)行邁步掩護(hù)式交替施工，協(xié)調(diào)工作面回采期間的各方應(yīng)力實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，將影響降到最低，減少工字鋼棚的復(fù)修率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益的最大化，為其他相同條件的工作面提供參考依據(jù)。