李 剛

1中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤機(jī)裝備有限公司 山西太原 030006

長(zhǎng)壁綜采相鄰工作面之間留設(shè)保護(hù)煤柱，導(dǎo)致煤炭資源浪費(fèi)，巷道掘進(jìn)工作量大，采掘銜接不平衡，影響了采煤工作面的有效接續(xù)。近年來，許多礦井采用沿空成巷無煤柱開采技術(shù)[1]，提高了資源回采率，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，改善了礦井安全條件，降低了巷道掘進(jìn)工作量，簡(jiǎn)化了工作面接續(xù)程序[2]。

沿空切頂巷道在成巷過程中的臨時(shí)支護(hù)仍存在著一些問題。傳統(tǒng)的單體支護(hù)方式支護(hù)工序復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度高，安全系數(shù)低；整體式與分體式超前支架組[3]不能避讓巷道頂板的錨索與錨桿，反復(fù)支撐對(duì)頂板永久支護(hù)造成很強(qiáng)的破壞，不利于成巷穩(wěn)定后巷道頂板的完整性，且在使用過程中操作復(fù)雜，靈活性差；單元支架對(duì)巷道頂板支護(hù)面積小，搬運(yùn)復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大。采用新開發(fā)的巷道長(zhǎng)距離交替循環(huán)支護(hù)成套裝備對(duì)沿空切頂留巷巷道實(shí)現(xiàn)無反復(fù)支撐，能夠避免對(duì)巷道頂板錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)造成破壞，保證超前與沿空留巷頂板巷道整體的完整性與穩(wěn)定性，同時(shí)操作簡(jiǎn)單，支護(hù)效果好，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于提高沿空切頂成巷無煤柱開采工藝水平，實(shí)現(xiàn)礦井綠色、安全、高效開采具有重要意義。

1 地質(zhì)條件

8201 工作面位于三盤區(qū)山 2 號(hào)煤層，水平標(biāo)高為 886～906 m，走向長(zhǎng)度為 1 368～1 380 m，可采走向長(zhǎng)度為 1 238 m，傾斜長(zhǎng)度為 180 m。2 號(hào)煤層為半亮型煤，團(tuán)塊狀，最大瓦斯含量為 2.18 m3/t，回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為 4.49 m3/min，煤塵爆炸鑒定結(jié)論為具有爆炸性，爆炸系數(shù)為 30.21%，自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類，自燃傾向性性質(zhì)為自燃。輔助運(yùn)輸巷道高度為 3.6 m，寬度為 5.2 m。煤層總厚度為 2.2～3.0 m，平均厚度為 2.4 m，煤層傾角為 1°～5°，平均傾角為 3°，屬簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層，煤層中普遍含有 1～3層夾石，夾石巖性為灰黑色砂質(zhì)泥巖，煤層頂?shù)装逄卣魅绫?1 所列。

2 臨時(shí)支護(hù)方式及支護(hù)范圍分析

采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)[4]+恒阻大變形錨索技術(shù)[5]，實(shí)現(xiàn)預(yù)裂的同時(shí)又可以保護(hù)巷道頂板的完整性，達(dá)到切頂成巷無煤柱開采的目的。工作面超前段會(huì)受到超前壓力的影響，需要進(jìn)行超前臨時(shí)支護(hù)；隨著開采推進(jìn)，頂板垮落，從垮落到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，距工作面較近的架后區(qū)域需要進(jìn)行頂板臨時(shí)支護(hù)以及擋矸支護(hù)；當(dāng)巷道距工作面較遠(yuǎn)時(shí)，頂板運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，臨時(shí)支護(hù)可以取消，只需要擋矸支護(hù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，將切頂成巷無煤柱開采工作面輔助運(yùn)輸巷道劃分為 3 個(gè)區(qū)域(見圖 1)：超前臨時(shí)支護(hù)區(qū)(工作面前方 60 m)、端頭與架后成巷臨時(shí)支護(hù)區(qū)(架后 0～200 m)和成巷穩(wěn)定區(qū)(架后 200 m 之后)。不同分區(qū)根據(jù)需要采取不同的支護(hù)措施。

3 臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度分析

3.1 超前臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度分析

8201 工作面回采巷道沿底掘進(jìn)，受回采過程中頂煤冒放的影響，巷道頂板煤層裂隙發(fā)育，可將巷道頂板煤巖體視為散體介質(zhì)。根據(jù)自然平衡拱理論，深部巷道頂部圍巖應(yīng)力為平衡拱內(nèi)覆巖重力。基于此，建立相應(yīng)力學(xué)模型(見圖 2)，同時(shí)在分析過程中考慮工作面采動(dòng)的影響。

圖2 巷道圍巖力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of surrounding rocks in roadway

二次采動(dòng)期間，8201 工作面輔助運(yùn)輸巷道上覆巖層形成自然平衡拱最大跨度

式中：a為巷道寬度的一半，取a=2.6 m；h為巷道高度，取h=3.6 m；φ為煤體內(nèi)摩擦角，取φ=28°。巷道圍巖應(yīng)力

表1 8201 工作面頂、底板巖層情況Tab.1 Stratum state of roof and floor of work face 8201

式中：K1為一次采動(dòng)殘余影響系數(shù)，取K1=1.6；K2為二次采動(dòng)成巷期間不同階段影響系數(shù)，超前支護(hù)時(shí)段取 1.8，成巷段取 2.0；γ為上覆巖層覆巖容重，取γ=25 kN/m3；f為掘進(jìn)影響后煤巖體普氏硬度系數(shù)，取f=1.7。

計(jì)算得P=201.72 kPa。因此，超前支護(hù)強(qiáng)度不小于0.202 MPa。

會(huì)計(jì)信息主要是對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)過程中的價(jià)值運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按規(guī)定的會(huì)計(jì)制度、法規(guī)等來加工這些數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)加工成有價(jià)值的財(cái)務(wù)信息以及其他經(jīng)濟(jì)信息。[1]在社會(huì)經(jīng)濟(jì)有效運(yùn)行過程中，會(huì)計(jì)信息是非常重要的基礎(chǔ)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的有效運(yùn)行要求會(huì)計(jì)信息要符合社會(huì)經(jīng)濟(jì)所反映的客觀事實(shí)。同時(shí)在會(huì)計(jì)集中核算機(jī)制中采用三分離一公開的制度，從某種程度上提高會(huì)計(jì)信息的真實(shí)性，同時(shí)也促使信息的品質(zhì)得以提高。在會(huì)計(jì)核算機(jī)制中，由于核算的步驟在逐漸縮減，因此這就會(huì)促使工作速度不斷提高。

3.2 端頭與成巷區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度分析

8201 工作面輔助運(yùn)輸巷道和支護(hù)體上方一定范圍內(nèi)分離巖塊的重力構(gòu)成了端頭支護(hù)載荷。端頭支護(hù)處于未采動(dòng)煤體的高壓力區(qū)和冒落矸石之間，是一個(gè)降壓區(qū)。巖塊一邊的采空區(qū)提供了一個(gè)主要自由面。因巖體呈層狀，可能在一定高度上產(chǎn)生離層，導(dǎo)致巖塊沿煤壁以α角斷裂，進(jìn)入完全自由狀態(tài)，成為端頭支護(hù)的載荷。沿空留巷端頭支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算模型如圖 3所示。巷旁支護(hù)載荷

式中：H為上覆巖層切落高度，取H=10 m；α為剪切角，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取α=26°；b為巷旁支護(hù)內(nèi)側(cè)到煤幫的距離，即留巷寬度，取b=5.2 m；θ為煤層傾角，θ=3°。

計(jì)算得Q=367.25 kPa?？紤]沿空成巷頂板隔離體上覆巖層在運(yùn)移過程中對(duì)隔離體影響，取 1.2 倍安全系數(shù)，得到端頭與架后成巷區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度為 440.7 kPa。

圖3 端頭支護(hù)力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of end support

因此，工作面端頭與架后成巷區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度不小于 0.441 MPa。

4 臨時(shí)支護(hù)成套裝備布置方式及技術(shù)特點(diǎn)

沿空切頂 8201 工作面輔助運(yùn)輸巷道臨時(shí)支護(hù)區(qū)域長(zhǎng)度約為 260 m，寬度為 5.2 m，根據(jù)支護(hù)方式以及區(qū)域的不同，分為超前支護(hù)區(qū)及端頭與成巷臨時(shí)支護(hù)區(qū)，需要進(jìn)行有效支護(hù)，維護(hù)巷道頂板的完整性。巷道采用長(zhǎng)距離交替循環(huán)支護(hù)成套裝備對(duì)超前支護(hù)區(qū)及端頭與成巷臨時(shí)支護(hù)區(qū)進(jìn)行有效臨時(shí)支護(hù)(見圖 4)。臨時(shí)支護(hù)支架采用 2 臺(tái) WC3Y(B)防爆柴油機(jī)無軌膠輪運(yùn)輸車分別在超前支護(hù)區(qū)與成巷臨時(shí)支護(hù)區(qū)進(jìn)行交替循環(huán)運(yùn)輸，保證頂板的穩(wěn)定性。

圖4 臨時(shí)支護(hù)成套裝備運(yùn)輸布置Fig.4 Transportation layout of complete set of temporary support equipment

4.1 臨時(shí)支護(hù)支架布置方式

根據(jù)計(jì)算確定超前支護(hù)強(qiáng)度不小于 0.202 MPa，架后成巷區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度不小于 0.441 MPa，選取 ZQL 2400/23.5/40 型巷道臨時(shí)支護(hù)支架對(duì) 260 m 輔助運(yùn)輸巷進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。具體布置方式如下。

(1)超前支護(hù)區(qū)位于工作面超前采動(dòng)影響區(qū)，需超前加強(qiáng)支護(hù)，采用 ZQL2400/23.5/40 型巷道臨時(shí)支護(hù)支架進(jìn)行超前支護(hù)，支護(hù)距離為 60 m，架間距為 1.8 m，避開巷道頂板錨桿及錨索支護(hù)，共計(jì) 33架，支護(hù)強(qiáng)度約為 0.254 MPa。

(2)架后成巷臨時(shí)支護(hù)區(qū)位于工作面架后影響區(qū)，采空區(qū)頂板巖石垮落會(huì)對(duì)巷道頂板產(chǎn)生一定的摩擦作用，巷道受動(dòng)壓影響明顯，頂板壓力較大。在架后 0～200 m 內(nèi)，頂板需要臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，采用ZQL2400/23.5/40 型巷道臨時(shí)支護(hù)支架+U 形鋼進(jìn)行架后擋矸支護(hù)，防止在動(dòng)壓作用下碎石幫擠壓 U 形鋼擋桿向巷內(nèi)移動(dòng)，并能對(duì)頂板提供較大的支護(hù)阻力。臨時(shí)支護(hù)支架間距為 1.0 m，共計(jì) 200 架，支護(hù)強(qiáng)度約為 0.462 MPa；為防止采空區(qū)的矸石躥入巷道，采用鋼筋網(wǎng)與可伸縮 U 形鋼進(jìn)行聯(lián)合擋矸支護(hù)，可伸縮U 形鋼排距為 500 mm。

4.2 臨時(shí)支護(hù)成套裝備技術(shù)特點(diǎn)

(2)無軌膠輪運(yùn)輸車雙向前后各有 1 個(gè)駕駛室，可以雙向操作行駛；運(yùn)輸車上設(shè)置專用升降、回轉(zhuǎn)及夾緊機(jī)構(gòu)，確保支架安全運(yùn)輸支護(hù)；車載獨(dú)立乳化液泵站，控制系統(tǒng)采用快速插裝自封式，確保整架無液壓管路外露，保證操作人員的安全性。

(3)臨時(shí)支護(hù)支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，支護(hù)強(qiáng)度大，通過調(diào)節(jié)架間距，可滿足不同巷道壓力變化的要求；支架梁體采用窄型設(shè)計(jì)，可靈活布置于錨桿與錨索之間，避免破壞錨桿與錨索；支架立柱采用球形鉸接設(shè)計(jì)，滿足巷道起伏不平的要求。

5 支護(hù)效果分析

為分析沿空切頂成巷開采臨時(shí)支護(hù)區(qū)域支護(hù)效果，分析超前、架后成巷區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度合理性，建立回采工作面沿空留巷三維數(shù)值模型[6]。按照工作面尺寸、巷道尺寸及頂?shù)装鍡l件進(jìn)行參數(shù)賦值，編制有限差分程序；根據(jù)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，模擬過程中對(duì)回采巷道進(jìn)行錨桿(索)支護(hù)；結(jié)合計(jì)算結(jié)果，模型模擬煤層及部分上位巖層，剩余上覆巖層以均布載荷代替。建立的模型如圖 5 所示。

圖5 巷道臨時(shí)支護(hù)支架支護(hù)模型Fig.5 Model of temporary support in roadway

5.1 超前支護(hù)區(qū)支護(hù)效果分析

(1)沿空巷道在超前支護(hù)下垂直應(yīng)力云圖如圖 6所示。在支護(hù)強(qiáng)度為 0.254 MPa 條件下，圍巖應(yīng)力主要集中于巷道兩幫，最大應(yīng)力約為 11 MPa，巷道頂板上覆巖層在超前支護(hù)的作用下出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，巷道圍巖應(yīng)力分布合理。

圖6 沿空巷道在超前支護(hù)下垂直應(yīng)力云圖Fig.6 Vertical stress contours of goaf roadway in advance supporting mode

(2)巷道超前支護(hù)范圍內(nèi)圍巖變形如圖 7 所示。在超前支護(hù)作用下，巷道頂板最大下沉量為 42 mm，位于巷道頂板中部，兩幫最大變形量為 23 mm，巷道整體變形量小。

圖7 沿空巷道在超前支護(hù)下位移云圖Fig.7 Displacement contours of goaf roadway in advance supporting mode

沿空切頂成巷采用 ZLC2400/23.5/40 型巷道臨時(shí)支護(hù)支架進(jìn)行超前支護(hù)，通過數(shù)值模擬分析，可知在 0.254 MPa 超前支護(hù)強(qiáng)度下，支架可有效承載上覆巖層應(yīng)力，緩減巷道幫部破壞變形，巷道整體變形量小，超前支護(hù)強(qiáng)度合理。

5.2 成巷區(qū)域滯后支護(hù)效果分析

沿空切頂成巷滯后支護(hù)區(qū)域內(nèi)巷道上覆巖層采空區(qū)側(cè)向基本頂已切落，巷道圍巖由大變形恒阻錨索、普通錨索及錨桿支護(hù)體系與 ZLC2400/23.5/40 型巷道臨時(shí)支護(hù)支架共同維護(hù)，巷道圍巖頂板活動(dòng)劇烈。根據(jù)工作面臨時(shí)支護(hù)支架排距為 1.0 m 條件下對(duì)巷道圍巖的控制效果進(jìn)行分析，滿足沿空切頂成巷的要求。

(1)成巷區(qū)域滯后支護(hù)圍巖破壞區(qū)域分布如圖 8所示。沿空切頂巷道圍巖破壞區(qū)域深度約為 1.3 m，支架-圍巖接觸區(qū)域主要表現(xiàn)為正在發(fā)生剪切破壞，破壞深度約為 0.35 m，頂板距巷道 0.2～0.7 m 范圍內(nèi)巖層已經(jīng)發(fā)生剪切破壞，上覆巖層距頂板 0.7～1.3 m范圍主要表現(xiàn)為拉升破壞；支架-圍巖接觸范圍以外頂板巖層主要表現(xiàn)為拉伸破壞，破壞高度為 1.3 m，巷道底板及幫部主要表現(xiàn)為剪切破壞，底板破壞深度約為 5.6 m。

圖8 成巷區(qū)域滯后支護(hù)圍巖破壞區(qū)域分布Fig.8 Distribution of damaged surrounding rock area in formed roadway in behind supporting mode

圖9 成巷區(qū)域滯后支護(hù)巷道圍巖變形云圖Fig.9 Displacement contours of surrounding rock in formed roadway in behind supporting mode

(2)成巷區(qū)域滯后支護(hù)巷道圍巖變形如圖 9 所示。巷道中部及靠近切頂一側(cè)頂板下沉量為 110～150 mm，最大下沉量為 165 mm；靠近實(shí)體煤幫下沉量為100～130 mm；巷道幫部變形量集中于 60～90 mm，最大變形量為 125 mm，位于幫部偏下靠近底板區(qū)域；巷道底板最大底鼓量為 200 mm，位于巷道底板中部區(qū)域。巷道臨時(shí)支護(hù)支架在支護(hù)過程中有穿底現(xiàn)象，在實(shí)際使用過程中應(yīng)采取措施硬化巷道底板，增加底板圍巖剛度與強(qiáng)度，使底板-支架-頂板具有良好的耦合效果，充分發(fā)揮臨時(shí)支護(hù)支架的承載作用，確保沿空切頂巷道支護(hù)效果。

5.3 超前支護(hù)區(qū)超前壓力顯現(xiàn)規(guī)律分析

超前支架用于保護(hù)工作面推進(jìn)期間回風(fēng)巷安全生產(chǎn)。通過超前支架壓力顯現(xiàn)，可以觀測(cè)到煤壁前方支承壓力基本規(guī)律，為煤礦安全生產(chǎn)提供安全保障。超前支架布置在輔助運(yùn)輸巷道，共 34 個(gè)支架，支架間距為 1.8 m。2018 年 11 月 11 日—12 月 18 日期間，對(duì)壓力表編號(hào)為 13～26 號(hào)的超前臨時(shí)支護(hù)支架進(jìn)行監(jiān)測(cè)，超前壓力顯現(xiàn)規(guī)律如圖 10 所示。

(1)由圖 10(a)～(c)可知，隨著工作面的推進(jìn)，超前支架壓力逐步增大，支架壓力呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)至壓力顯著增加，最后在支承壓力峰值位置出現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì)，部分支架在到達(dá)最大值后出現(xiàn)小幅度回落。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，一般在距離工作面 19.5 m時(shí)，支架壓力會(huì)顯著上升，表明支承壓力在這個(gè)區(qū)域明顯增大。

圖10 超前壓力顯現(xiàn)規(guī)律Fig.10 Appearance laws of leading pressure

(2)由圖 10(a)～(c)可知，在支架距離工作面由遠(yuǎn)及近的過程中，初期煤幫側(cè)壓力總是大于煤柱側(cè)；當(dāng)支架離工作面很近時(shí)，煤柱側(cè)支架壓力突然急速攀升超過煤幫側(cè)支架壓力。前期支架離工作面較遠(yuǎn)時(shí)，煤壁前方支承壓力主要出現(xiàn)在煤幫側(cè)，而當(dāng)支架距離工作面很近時(shí)，回采空間與輔助運(yùn)輸巷空間結(jié)合而成為一個(gè)更大的“采空區(qū)”，此采空區(qū)的一側(cè)就變成了煤柱。支架距離工作面較遠(yuǎn)時(shí)，煤幫成為主要承載體；而當(dāng)支架距離工作面較近時(shí)，煤柱成為了主要承載體，導(dǎo)致煤柱一側(cè)支架壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤幫側(cè)。

(3)由圖 10(d)可知，整個(gè)監(jiān)測(cè)期間煤幫側(cè)支架最大壓力為 30～38 MPa，煤柱側(cè)支架最大壓力起伏較大，最大壓力為 32～48 MPa。煤幫側(cè)平均最大壓力為 33.6 MPa，煤柱側(cè)平均最大支架壓力為 38.9 MPa，可知煤柱側(cè)支架最大壓力大于煤幫側(cè)，超前臨時(shí)支護(hù)支架的支護(hù)強(qiáng)度能夠滿足巷道超前壓力的要求。

6 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有的沿空留巷支護(hù)工藝裝備中存在的不足，巷道長(zhǎng)距離交替循環(huán)支護(hù)成套裝備可避免破壞錨桿與錨索，實(shí)現(xiàn)沿空留巷巷道 260 m 無反復(fù)支撐，保證了頂板完整性與穩(wěn)定性，有效地保證了沿空切頂成巷后巷道的成型效果，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了資源回收率。

采用該裝備，材料消耗降低了 30%，節(jié)省了支護(hù)成本；降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了支護(hù)效率，搬運(yùn)支撐用時(shí)約為 10 min，比傳統(tǒng)的單元支架搬運(yùn)支撐少用時(shí)約 20 min，對(duì)新暴露的巷道頂板實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的支護(hù)。專用的無軌膠輪運(yùn)輸車自帶獨(dú)立乳化液泵站，確保及時(shí)為單個(gè)支架供液，滿足長(zhǎng)距離巷道快速支護(hù)要求。