張永杰

(山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

1 工作面簡(jiǎn)介

郭莊煤業(yè)3308工作面位于3307工作面與3309工作面中間，工作面南部為二采區(qū)回風(fēng)大巷，北部為三采區(qū)回風(fēng)大巷。3308工作面長(zhǎng)度約為2 200 m，傾向長(zhǎng)度為230 m，傾角約為20°。3308工作面位于5號(hào)煤層，屬于可采煤層，走向?yàn)槟媳狈较颍穸燃s為6.15 m，賦存于二疊系山西組地層中下部，堅(jiān)固性系數(shù)為0.5～0.7，煤質(zhì)以貧煤為主，埋深為380～420 m。頂?shù)装鍘r層包括細(xì)粒砂巖、泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、煤，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)示意如圖1所示。3308工作面東部有正斷層發(fā)育，高度為0～7 m，頂?shù)装逵?個(gè)富水異常區(qū)，頂板水害為主要水害類型，底板在掘進(jìn)時(shí)奧灰水影響較小，巷道涌水量最大為20 m3/h，平均涌水量為5 m3/h。

圖1 3308工作面頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)參數(shù)示意

2 3308工作面沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 巷旁支護(hù)

1) 參數(shù)設(shè)計(jì)。3308工作面的膠帶巷為3309工作面軌道巷，總長(zhǎng)度約為2 200 m。由于X17陷落柱對(duì)膠帶巷的影響，3308工作面在前110 m膠帶巷不留設(shè)柔模墻，自3308工作面與3309工作面切眼處進(jìn)行柔模墻澆筑，沿空留巷長(zhǎng)度約為1 500 m。對(duì)3308工作面膠帶巷留巷寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)，綜合考慮沿空留巷用途以及施工要求，設(shè)計(jì)寬度為4.5 m，凈寬為4.3 m，巷旁支護(hù)寬度設(shè)計(jì)為1.7 m。

依據(jù)過往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，柔性模板采用三維紡織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。三維紡織結(jié)構(gòu)模板由內(nèi)部拉筋與外部加筋纖維布兩部分組成，為封閉結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外形與支護(hù)體幾乎相同，有固定裝置以及自閉灌注口設(shè)置，材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、實(shí)際施工也較為方便。水泥使用M40強(qiáng)度等級(jí)的水泥漿，具有密實(shí)、高強(qiáng)、早強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖2 三維紡織結(jié)構(gòu)模板示意

錨栓采用22號(hào)左旋無縱筋螺紋鋼筋500鋼號(hào)的桿體，桿體兩端設(shè)有規(guī)格為M22的螺紋，成型工藝為滾壓加工工藝，螺紋長(zhǎng)度設(shè)計(jì)應(yīng)大于150 mm，桿體應(yīng)大于墻厚約250 m。需注意，錨栓開通孔的一端在澆筑完成后應(yīng)穿8號(hào)鐵絲進(jìn)行固定，防止螺帽在后期來壓后飛出傷人。錨栓托盤尺寸設(shè)計(jì)長(zhǎng)、寬、高分別為150 mm、150 mm、120 mm，采用拱形高強(qiáng)度設(shè)計(jì)，使用中需配合減阻尼龍墊圈與球形墊，拱高應(yīng)為36 mm，額定承載能力為23 t。錨栓垂直于墻面布置，每排設(shè)置5根，間距設(shè)定為750 mm×550 mm，錨栓額定預(yù)緊力設(shè)計(jì)為300 N·m，螺帽厚度設(shè)計(jì)為32 mm。

鋼筋鋼帶焊接材質(zhì)為D16 mm鋼筋，依據(jù)三維紡織結(jié)構(gòu)模板要求，需加工為2 m×3.5 m×1.5 m、3 m×3.5 m×1.5 m、4 m×3.5 m×1.5 m以及長(zhǎng)度為3.5 m的豎鋼筋鋼帶(長(zhǎng)度依據(jù)實(shí)際高度制作)，其鋼筋鋼帶尺寸示意如圖3所示。

圖3 鋼筋鋼帶尺寸示意(mm)

2) 壓力計(jì)算。沿空留巷壓力主要通過疊加層板法進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)彈塑性力學(xué)理論與頂板特征，將沿空留巷的頂板簡(jiǎn)化為矩形疊加層板。疊加層板可分三邊支承與四邊支承兩種，其力學(xué)模型與自重載荷受力示意如圖4(a)、(b)所示。其中，短支承邊承受載荷為陰影部分，長(zhǎng)支承邊承受載荷為其余部分。選取矩形板中單位寬度長(zhǎng)條帶載荷分布面積占有最大的長(zhǎng)條帶作為計(jì)算模型，即三邊支承與四邊支承示意圖中的A-B-C-D條帶，具體為圖4(c)、(d)，通過分析可知，兩圖的長(zhǎng)條帶形式一樣，簡(jiǎn)化為圖4(e)。

圖4 疊加層板法沿空留巷壓力計(jì)算模型示意

疊加層板法沿空留巷壓力計(jì)算公式為：

P=(M1+M2+M3)/a

M2=[a+(n-1)htanα]γhL

M3=Rh2/6

式中：n為垮落層數(shù)，取11；a為維護(hù)寬度，取5.8 m；γ為巖層容重，取0.026 MN/m3；h為分層厚度，取2 m；α為垮落角余角，取45°；M1為殘余邊界自重彎矩，MN·m；M2為巖層垮落剪力彎矩，MN·m；M3為巖層極限彎矩，MN·m；L為巖層垮落巖塊長(zhǎng)度，取8 m；R為抗拉強(qiáng)度，取1.5 MN·m。

將數(shù)據(jù)帶入公式計(jì)算可得，M1=82.84 MN·m，M2=10.73 MN·m，M3=1 MN·m。則沿空留巷壓力P=16 305.2 kN/m。

2.2 待澆筑空間圍護(hù)

待澆筑空間圍護(hù)的設(shè)計(jì)主要由采空區(qū)圍護(hù)、端頭區(qū)圍護(hù)以及待澆筑空間支護(hù)三部分組成。

2.2.1 端頭區(qū)圍護(hù)設(shè)計(jì)研究

端頭區(qū)圍護(hù)的主要作用是對(duì)頂煤的完整性進(jìn)行保護(hù)，防止移駕后頂煤發(fā)生垮落?，F(xiàn)存在的問題為排頭架頂梁與尾梁不平齊，使得尾梁處的頂煤支護(hù)有所欠缺，故需對(duì)該部位進(jìn)行優(yōu)化改造。尾梁改造共有兩種方法，一種是增加尾梁千斤頂行程，保證頂尾梁平齊，確保頂煤支護(hù)的可靠性；另一種是在尾梁千斤頂處增加長(zhǎng)套與機(jī)械。同時(shí)，還需進(jìn)行錨網(wǎng)索梁支護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)。在進(jìn)行回采時(shí)，需在頂梁上部備足與工作面煤壁平行的木梁，防止支架與頂板直接作用，采用木梁對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，使得移架與支架升降不對(duì)原來的支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞。

2.2.2 采空區(qū)圍護(hù)設(shè)計(jì)研究

采空區(qū)圍護(hù)的設(shè)計(jì)是為了不讓煤炭生產(chǎn)過程中采空區(qū)內(nèi)的矸石涌入留巷內(nèi)。3308工作面傾角約為20°，隨著工作面回采的開展，頂板會(huì)發(fā)生垮落現(xiàn)象，矸石進(jìn)入運(yùn)輸巷會(huì)對(duì)沿空留巷施工造成影響。依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，采空區(qū)圍護(hù)設(shè)計(jì)采用沿空留巷擋矸支架的方法。擋矸支架的結(jié)構(gòu)為邁步自移式結(jié)構(gòu)，兩支架為一組，具體功能包括擋矸、自移、糾偏、支護(hù)、切頂、遠(yuǎn)程遙控以及自適應(yīng)巷道留巷等。當(dāng)工作面支架移動(dòng)后，擋矸支架需同步移動(dòng)，保證沿空留巷作業(yè)環(huán)境的安全。

2.2.3 待澆筑空間支護(hù)設(shè)計(jì)研究

為防止?jié)仓酀{墻體前頂板發(fā)生垮冒或過早下沉現(xiàn)象，過渡支架前移后對(duì)待澆筑空間采用一梁兩柱的方法進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。其中，π型梁長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)計(jì)為1 500 mm，間排距應(yīng)設(shè)計(jì)為1 200 mm×600 mm，打設(shè)走向?yàn)榕c沿空留巷垂直。待澆筑空間臨時(shí)支護(hù)平面示意如圖5所示。

圖5 待澆筑空間臨時(shí)支護(hù)平面示意

2.3 沿空留巷臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)研究

沿空留巷的動(dòng)壓顯現(xiàn)一般分為兩個(gè)階段，第一階段為滯后工作面第一個(gè)周期來壓步距內(nèi)，第二階段為滯后工作面4～6個(gè)周期來壓步距內(nèi)。通常情況下，第二階段的動(dòng)壓顯現(xiàn)較第一階段更強(qiáng)，故應(yīng)以第二階段動(dòng)壓顯現(xiàn)范圍為研究對(duì)象。通過測(cè)算，郭莊煤礦周期來壓步距為26～31 m，臨時(shí)支護(hù)范圍應(yīng)確定在100～150 m。超前工作面大于50 m處采用一梁一柱的支護(hù)方法，50 m內(nèi)采用一梁三柱的方法，滯后工作面采用一梁四柱的方法，排距設(shè)計(jì)為900 mm。單體液壓支柱選取DW40-350/110X型，π型梁長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為3 700 mm、1 000 mm、4 000 mm。膠帶巷道超前支護(hù)臨時(shí)支護(hù)平面如圖6所示。

圖6 膠帶巷道超前支護(hù)臨時(shí)支護(hù)平面(mm)

3 支護(hù)方案效果分析

將上述沿空留巷支護(hù)應(yīng)用于3308工作面回采巷道與留巷后發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫的變形量約為110 mm，頂?shù)装逦灰屏考s為140 mm，符合相關(guān)安全規(guī)定；3308工作面沿空留巷支護(hù)可減少掘進(jìn)巷道長(zhǎng)度約2 500 m，費(fèi)用減少約1 400萬元，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益效果顯著。

4 結(jié) 語

針對(duì)郭莊煤業(yè)公司3308工作面沿空留巷支護(hù)技術(shù)尚不成熟的問題，本文通過對(duì)郭莊煤業(yè)公司礦井的實(shí)際條件進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出了3308工作面的沿空留巷支護(hù)方案，通過研究分析得出了以下結(jié)論：

1) 巷旁支護(hù)柔性模板采用三維紡織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，沿空留巷壓力值應(yīng)為16 305.2 kN/m；待澆筑空間圍護(hù)設(shè)計(jì)包括采空區(qū)圍護(hù)、端頭區(qū)圍護(hù)以及待澆筑空間支護(hù)三部分，采用一梁兩柱與擋矸支架的方法；臨時(shí)支護(hù)采用支架與單體結(jié)合的方法。

2) 將支護(hù)方案應(yīng)用于3308工作面后，巷道兩幫與頂?shù)装逦灰屏糠舷嚓P(guān)要求，對(duì)沿空留巷穩(wěn)定性有所提升，沿空留巷的使用使企業(yè)節(jié)約成本約1 400萬元，提升了企業(yè)效益。