梁庭瑞

(山西煤炭運銷集團 陽城西河煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105)

在煤礦生產(chǎn)過程中，由于前期無序的開采，留下了大量的采空區(qū)及不規(guī)則的空巷，給后期工作面開采、巷道掘進造成了一定的困難[1]。通常前期私挖亂采的小煤窯并沒有留下詳細的地質(zhì)資料，這些隱蔽的采空區(qū)表現(xiàn)出了位置不定、類型不定、結(jié)構不明等特征。在煤層開采或掘進過程中，遇到采空區(qū)如何保證采場、巷道圍巖穩(wěn)定性變得尤為重要[2]。目前，我國對于采空區(qū)氣體、水害的治理、頂板的控制等研究較多，針對巷道掘進過程中穿采空區(qū)保證巷道圍巖穩(wěn)定性的研究相對較少[3-4]。本文以山西煤炭運銷集團陽城西河煤礦三采區(qū)運輸巷穿采空區(qū)支護設計為背景，對其進行研究，為類似條件下巷道支護提供參考依據(jù)。

1 工程概況

山西煤炭運銷集團陽城西河煤礦主采3號煤層，煤層賦存不穩(wěn)定，煤層厚度3.5～5.1 m，其中三采區(qū)平均厚度5 m，煤層傾角1～3°，穩(wěn)定可采。煤層直接頂為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度4.5 m；基本頂為灰色細砂巖、泥巖互層，平均厚度17.33 m；直接底為泥巖或炭質(zhì)泥巖互層，平均厚度4.3 m。三采區(qū)運輸巷掘進至593.7 m處遇見3108采空區(qū)，通過鉆孔勘探，采空區(qū)垮落高度不定，預計三采區(qū)運輸巷在3108采空區(qū)掘進距離60 m。巷道正常掘進斷面為矩形斷面，巷道寬5.4 m，高3.8 m。運輸巷揭露采空區(qū)垮落區(qū)情況如圖1所示。

圖1 運輸巷迎頭采空區(qū)垮落情況示意

2 支護方案的選擇

根據(jù)鉆探結(jié)果，巷道全部從采空區(qū)穿過，傳統(tǒng)的錨桿、錨索支護已經(jīng)不能起到支護作用。因此決定在穿采空區(qū)段將巷道斷面變?yōu)橹眽Π雸A拱形，采用可縮性U型鋼棚進行支護。利用鋼棚將散落的矸石形成一個加固拱，加固拱結(jié)構的形成，提高了巷道支護結(jié)構的整體性，擴大了支護體的承載范圍，充分利用支護結(jié)構自身的強度來維持巷道圍巖穩(wěn)定性。

三采區(qū)運輸大巷主要采用29U型棚架支護，U型鋼棚棚腿和棚梁均由29U的U型鋼加工而成，卡纜采用與29U型鋼配套的螺栓卡纜。鋼棚跨度5 200 mm，腿高1 400 mm，拱高2 400 mm。支護設計如圖2所示。

圖2 巷道支護設計(mm)

3 棚距的確定

3.1 巷道頂板受力計算

過采空區(qū)期間巷道擬采用直墻半圓拱斷面，斷面凈寬×凈高=4.8 m×3.8 m，其中凈墻高1.4 m，拱高2.4 m，巷道掘進寬度為5 148 mm，掘進高度為 4 074 mm。

巷道頂板壓力采取傳統(tǒng)的自然平衡拱理論進行計算，計算公式如下：

(1)

式中：Qd為每米巷道頂板巖石作用在支護體上的壓力，kN/m；γ為頂板巖石容重，25 kN/m3；f為頂板巖石的堅固性系數(shù)，松散巖體取1；a為巷道半跨度，取2.6 m。

經(jīng)計算，跨度5.2 m的巷道頂板壓力為225.3 kN/m。

3.2 棚距的確定

根據(jù)材料力學推導出鋼棚受到的載荷公式[5]：

(2)

式中：σmax為29U型鋼最大屈服載荷，取325 MPa；Wz為構件的凈截面模量，取 92.3 cm3； 為拱形巷道跨度，取5.2 m。

由公式(2)得出，鋼棚受到的載荷q≤8.87 kN/m。

綜上可知：當鋼棚拱部所受載荷為均布載荷時，最大均布載荷為8.87 kN/m，由于鋼棚上部背有木板等材料，鋼棚上部受力通常以均布載荷為主，半圓拱弧長7.54 m，那么拱形鋼棚均布載荷受力為66.87 kN(當載荷不超過66.87 kN時，鋼棚不出現(xiàn)彎曲變形破壞，只出現(xiàn)彈性變形)，如果考慮到鋼棚出現(xiàn)極限變形破壞時，鋼棚承載力是彈性變形承載力的2.0倍左右[6]，則鋼棚極限承載能力為133.74 kN。

4 支護施工方案

西河煤礦三采區(qū)運輸巷穿采空區(qū)巷道支護設計主要施工方案分為：臨時支護和永久支護。

4.1 臨時支護

每掘進一個循環(huán)1 m，掘進機截割頭落地，進行臨時支護和架棚支護支撐頂板。永久支護距工作面迎頭最大距離為1.3 m。首先用風動鉆機在工作面迎頭距頂板200 mm處按角度25°打眼穿針控制頂板；在距迎頭第二架處兩幫棚腿側(cè)按角度20°打眼穿針控制兩幫；鉆孔間距按250 mm平行均勻布置(如無法按250 mm間距布置時，根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當調(diào)整間距方便安全操作)，鉆孔深度不得小于1.5 m。然后往鉆孔內(nèi)穿針，打一個眼穿一根針，以防鉆孔堵塞穿針困難，如風動鉆機無法使用時，采用人工配合大錘在穿針尾端砸，一端與工作面迎頭第一架永久支護梁用雙股鐵絲固定連接，防止頂板矸石垮落傷人。

4.2 永久支護

永久支護采用29U型架棚支護(必須先掛網(wǎng)后支鋼架，網(wǎng)片采用菱形鐵絲網(wǎng))；鋼棚由三部分組成，搭接在肩窩位置，搭接長度400 mm，卡攬采用29U型鋼對應的標準卡攬，棚拱高2 400 mm，腿長1 400 mm，鋼架架棚支護排距500 mm；利用D16 mm鋼筋制作拉桿，長度為500 mm，按間距500 mm交叉布置在梁腿及頂梁間；背板長800 mm，按間距300 mm均勻布置，(必須保證不能出現(xiàn)漏頂、網(wǎng)包現(xiàn)象)，根據(jù)現(xiàn)場垮落區(qū)情況及時進行加密支護。梁腿支設在硬底上，并在梁腿下穿鞋(穿鞋使用三根11號礦用工字鋼并排制作，長300 mm，寬400 mm)。

5 現(xiàn)場應用效果分析

現(xiàn)場對3號煤三采區(qū)運輸巷穿采空區(qū)段架棚支護效果進行了監(jiān)測，在距離巷道開口600 m、610 m、620 m處布置3個測點，觀測周期為180 d，每天記錄巷道兩幫及頂板、底板變形量，綜合分析支護效果。觀測結(jié)果如圖3所示。

圖3 巷道圍巖變形量隨時間變化規(guī)律

由圖3可知，巷道圍巖移近量隨時間推移，均表現(xiàn)出了先增大后趨于穩(wěn)定的特征。兩幫移近量在90 d后逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的3個測點平均移近量為172.4 mm；底鼓量在90 d后逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的3個測點平均移近量為249.3 mm；頂板下沉量在6 d后逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的3個測點平均移近量為36.7 mm。

巷道兩幫移近量、底鼓量要遠遠大于頂板下沉量，且兩幫及底板變化周期較長。從現(xiàn)場觀察結(jié)果看，主要是因為兩幫巖體在應力作用下向底板深處擠壓、流動，使得巷道底板受到高應力的作用，出現(xiàn)了明顯的底鼓現(xiàn)象，直至兩幫巖體穩(wěn)定后，底板巖體也趨于穩(wěn)定。從現(xiàn)場棚架受力情況看，并沒有出現(xiàn)明顯變形、破壞，充分說明支架在受到高應力情況下能夠產(chǎn)生屈服變形，使得巷道圍巖來壓緩和，避免了巷道來壓而造成支架破壞。

現(xiàn)場觀測結(jié)果充分說明巷道在穿采空區(qū)段采用密集U型棚支護可以有效維護巷道圍巖穩(wěn)定性。

6 結(jié) 語

1) 通過理論計算，棚架跨度為5.2 m的巷道頂板壓力為225.3 kN/m，29U型棚架極限載荷為133.74 kN，棚距不超過0.5 m。

2) 現(xiàn)場應用表明，巷道圍巖移近量隨時間推移，均表現(xiàn)出了先增大后趨于穩(wěn)定的特征，兩幫、底鼓、頂板最終平均移近量穩(wěn)定在172.4 mm、249.3 mm、36.7 mm，巷道兩幫移近量、底鼓量要遠遠大于頂板下沉量，且兩幫及底板變化周期較長。

3) 棚架長時間受力均未出現(xiàn)變形、破壞現(xiàn)象，充分說明在穿采空區(qū)段采用密集U型棚支護可以有效維護巷道圍巖穩(wěn)定性。