鄭立永，王國龍，常云博

(北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

0 引言

紅慶河煤礦位于國家大型煤炭基地—神東煤炭基地內(nèi)的東勝煤田新街礦區(qū)，設(shè)計(jì)產(chǎn)能1 500萬t/a，采用立井開拓方式。井田內(nèi)煤層埋藏較深，可采煤層較厚，同時(shí)直接頂厚而較硬，工作面在回采過程中，礦壓顯現(xiàn)劇烈，特別是相鄰接續(xù)工作面，受到二次動(dòng)壓影響，頂板下沉、底板鼓起、煤壁片幫、錨桿錨索崩斷等動(dòng)壓顯現(xiàn)情況頻繁發(fā)生，甚至出現(xiàn)冒漏頂現(xiàn)象，巷道維護(hù)困難，嚴(yán)重影響生產(chǎn)接續(xù)及礦井安全，成為紅慶河煤礦安全高效開采的重要制約因素，亟需確定相適應(yīng)的采場礦壓管理手段以及動(dòng)壓影響下巷道超前支護(hù)技術(shù)，為現(xiàn)場提供有力的管理和技術(shù)指導(dǎo)。目前已有的研究多集中在對(duì)于深井厚煤層頂板結(jié)構(gòu)的研究上[1-5]，并取得了一定的研究成果，而對(duì)于深部礦井厚煤層工作面開采過程中動(dòng)壓影響下超前支護(hù)方式的選擇的相關(guān)研究較少[6-8]，同時(shí)神府東勝煤田埋深超過600 m的礦井多處于新開發(fā)階段，該類型礦井地壓、巷道變形以及巷道支護(hù)尚無借鑒經(jīng)驗(yàn)，有待進(jìn)一步研究。

針對(duì)紅慶河煤礦存在相鄰工作面采動(dòng)影響下(即二次動(dòng)壓影響下)，現(xiàn)有超前支護(hù)易發(fā)生底鼓和片幫，工作面受二次動(dòng)壓影響的巷道維護(hù)困難，人員安全受到威脅的問題。為此，以紅慶河煤礦3-1103工作面輔運(yùn)順槽超前支護(hù)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)條件和地質(zhì)條件，分析3-1103工作面輔運(yùn)順槽超前支護(hù)區(qū)域圍巖變形影響因素及圍巖破壞特征，同時(shí)對(duì)比優(yōu)化前后超前支護(hù)區(qū)域巷道破壞情況以及支護(hù)參數(shù)，確定適用于紅慶河煤礦動(dòng)壓巷道超前支護(hù)的有效方式，進(jìn)而為其他類似條件下的深井大采高千萬噸級(jí)的礦井回采工作面的動(dòng)壓巷道超前支護(hù)提供相關(guān)的借鑒作用，同時(shí)也為東勝煤田范圍內(nèi)的類似煤層開采提供重要的參考依據(jù)。

1 工作面概況

紅慶河煤礦首采3-1煤層，該煤層在井田范圍內(nèi)呈全區(qū)發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)簡單，平均賦存深度為718.60 m，平均厚度6.23 m，采用長壁后退式一次采全高采煤方法。3-1103工作面為3-1煤層一采區(qū)第二個(gè)工作面，工作面的傾向長度為245.75 m，走向長度為3 544 m，采高6.23 m，3-1103工作面輔運(yùn)順槽南翼為已回采結(jié)束的3-1101工作面。3-1103工作面頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)簡單，以砂巖及泥巖為主。頂?shù)装鍑鷰r巖性及厚度分布具體見表1。

2 原支護(hù)方式存在的問題

2.1 原支護(hù)方式

3-1103工作面輔運(yùn)輸順槽沿煤層底板掘進(jìn)，巷道凈寬5 800 mm，凈高3 900 mm。輔運(yùn)順槽采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。兩幫支護(hù)方式為：左旋螺紋鋼錨桿+菱形金屬網(wǎng)，錨桿間排距為850 mm×1 000 mm，每幫5根。頂板支護(hù)方式為：焊接鋼筋網(wǎng)+左旋螺紋鋼錨桿+錨索。錨桿間排距850 mm×1 000 mm，每排7根錨桿，錨索間排距2 000 mm×1 700 mm，每排2根錨桿，該巷道設(shè)計(jì)長度3 790 m。

表1 3-1103工作面頂?shù)装鍑鷰r特征分布表

2.2 存在的問題

焊點(diǎn)失效導(dǎo)致漏頂事故：原巷道支護(hù)方式中采用焊接金屬網(wǎng)作為頂板支護(hù)的材料，在巷道未受采動(dòng)影響的條件下，可以滿足現(xiàn)場支護(hù)的需要[9-11]。但在采動(dòng)影響下，部分焊點(diǎn)失效時(shí)，金屬網(wǎng)整體支護(hù)強(qiáng)度下降，發(fā)生漏頂事故，難以對(duì)頂板進(jìn)行有效的支護(hù)，如圖1所示。

圖1 頂板焊接金屬網(wǎng)撕裂現(xiàn)場圖

垛架支護(hù)范圍內(nèi)巷道變形嚴(yán)重：原超前支護(hù)方式為雙排ZT11000/22/44垛式支架支護(hù)，如圖2所示，超前支護(hù)長度為50 m。雙排垛架的支護(hù)方式具有支護(hù)面積大、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，能在一定程度上有效的控制頂板的變形[12-15]。但由于3-1103輔運(yùn)順槽臨近3-1101工作面采空區(qū)，在3-1103工作面的回采過程中受采動(dòng)影響，巷道超前垛架支護(hù)范圍內(nèi)巷道變形嚴(yán)重，回采前必須清底和刷幫才能進(jìn)行拉移垛架，極大的增強(qiáng)了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)雙排垛架進(jìn)行超前支護(hù)巷道兩幫鼓出后，安全通道不能滿足要求。

圖2 原超前支護(hù)方式

3 巷道支護(hù)以及超前支護(hù)方式的確定

3.1 超前支護(hù)合理長度的確定

監(jiān)測方案及結(jié)果：為確定超前支護(hù)合理長度，3-1101工作面回采期間，在3-1103(備采)工作面輔運(yùn)順槽布置測站。在3-1103輔運(yùn)順槽2 800 m和2 300 m設(shè)立兩處測站，監(jiān)測備采工作面順槽頂部、幫部錨桿(索)受力情況，監(jiān)測結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 2 800 m測點(diǎn)頂幫錨桿錨索受力曲線圖

圖4 2 300 m測點(diǎn)頂幫錨桿錨索受力曲線圖

結(jié)果分析：①由圖3可知，工作面?zhèn)儒^桿錨索在超前70 m處，受力開始普遍增大，其中一根側(cè)錨索在超前150 m時(shí)開始增大；煤柱側(cè)錨索在超前30 m處開始普遍增大，其中一根側(cè)錨索在超前100 m處受力開始增大；頂板錨桿錨索在超前30 m處，受力開始增大；②由圖4可知，工作面?zhèn)儒^桿錨索在超前70 m處，受力開始普遍增大，錨桿錨索受力呈鋸齒狀波動(dòng)，由于鎖具脫扣導(dǎo)致；煤柱側(cè)錨錨索在超前70 m處開始普遍增大；巷道頂板錨桿索受力較為穩(wěn)定，其中一根錨索在超前50 m處開始顯著增大。

超前支護(hù)的合理長度：通過2 300 m和2 800 m監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場實(shí)際情況可知，回采過程中超前壓力的影響范圍在70 m以上。50 m超前支護(hù)對(duì)動(dòng)壓影響的超前巷道支護(hù)效果不理想，故超前支護(hù)距離選擇不小于70 m，結(jié)合現(xiàn)場條件最終確定為100 m。

3.2 超前支護(hù)合理方案的確定

針對(duì)頂板采用焊接金屬網(wǎng)對(duì)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)易發(fā)生漏頂事故的問題，提出兩種補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。

方案一：采用菱形金屬網(wǎng)對(duì)超前支護(hù)范圍內(nèi)的頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，菱形金屬網(wǎng)頂網(wǎng)與頂網(wǎng)搭接不少于50 mm，頂網(wǎng)與幫網(wǎng)搭接不少于500 mm。

方案二：采用菱形金屬網(wǎng)對(duì)超前支護(hù)范圍內(nèi)的頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，菱形金屬網(wǎng)片間搭接不少于100 mm，頂網(wǎng)必須與幫網(wǎng)搭接不少于500 mm，兩肩窩處各打一根錨桿，補(bǔ)網(wǎng)后頂板再采用三條“W”縱向鋼帶加錨索支護(hù)的形式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

圖5 方案一補(bǔ)強(qiáng)結(jié)果圖

方案一補(bǔ)強(qiáng)結(jié)果：現(xiàn)場采用方案一進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，垛架之間網(wǎng)片間搭接距離不夠，仍發(fā)生漏頂，同時(shí)在垛架與煤壁一側(cè)，支護(hù)剛度不夠，導(dǎo)致巷道肩窩處漏頂，如圖5所示。

方案二補(bǔ)強(qiáng)結(jié)果：現(xiàn)場采用方案二進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后(補(bǔ)強(qiáng)效果如圖6所示)，垛架之間以及垛架與煤壁一側(cè)漏頂現(xiàn)象消失。故最終采用方案二對(duì)動(dòng)壓巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

圖6 方案二補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)實(shí)效圖

3.3 超前支護(hù)方式的優(yōu)化

支護(hù)必要性及方案：采用補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，超前支護(hù)區(qū)域漏頂現(xiàn)象消失，但仍存在垛架被巷道兩幫及頂板擠死，行人困難的情況，需要優(yōu)化現(xiàn)有的支護(hù)方式。單體液壓支柱與垛式支架相比，具有支護(hù)靈活，占用巷道空間少的優(yōu)點(diǎn)，采用單體液壓支柱后，能夠給巷道兩幫預(yù)留一定的變形空間，同時(shí)可以消除左右兩垛架之間相互擠壓的現(xiàn)象，故在應(yīng)力最集中的超前20 m范圍內(nèi)，采用雙排單體支柱代替原有的一排垛架，進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)方案如圖7所示。

實(shí)踐結(jié)果：現(xiàn)場實(shí)踐表明，采用雙排單體支柱加一排垛架進(jìn)行超前支護(hù)，消除了垛架之間的相互擠壓現(xiàn)象，無需清底刷幫后再進(jìn)行垛架前移，同時(shí)雙排單體支柱的使用，減少了巷道空間的占用，為行人安全通過機(jī)尾創(chuàng)造了良好的條件。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐，重新確定超前支護(hù)范圍、更改超前支護(hù)方式，有效控制了頂板漏頂，保證了機(jī)尾安全出口的暢通，減少了巷道起底和刷幫清理的工程量，取得了很好的安全效果和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，對(duì)于正在施工的備采工作面動(dòng)壓巷道，在一次成巷時(shí)直接使用雙層菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行頂板支護(hù)，以滿足動(dòng)壓巷道超前支護(hù)的需求。

4 結(jié)論

(1)通過巷道錨桿錨索受力情況的監(jiān)測和現(xiàn)場實(shí)際情況，重新確定了紅慶河煤礦二次動(dòng)壓影響巷道超前支護(hù)的合理范圍不小于70 m，且結(jié)合現(xiàn)場情況確定為100 m。

圖7 雙排單體支柱與單排垛架相組合的支護(hù)方式

(2)采用菱形金屬網(wǎng)加金屬錨桿和縱向鋼帶加錨索支護(hù)的形式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)后，可以有效控制二次動(dòng)壓影響巷道頂板漏頂現(xiàn)象，同時(shí)在備采動(dòng)壓巷道的施工過程中，采用雙層菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。

(3)將雙排垛架的超前支護(hù)方式改為雙排單體液壓支柱加單排垛架的超前支護(hù)方式，有效減少了現(xiàn)場清底刷幫的工作量，為行人安全通過機(jī)尾創(chuàng)造了良好條件。