急傾斜突出煤層回采巷道錨鋼復(fù)合支架支護(hù)研究

周忠國(guó) 梁立勛 張亮 章寧釗 蔣文榮 徐倫

摘 要：針對(duì)綠水洞煤礦急傾斜煤層回采巷道現(xiàn)狀，研究分析原支護(hù)體系與現(xiàn)場(chǎng)存在的不適之處，優(yōu)化改進(jìn)提出采用錨鋼復(fù)合支架支護(hù)體系，采用工程類比法與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析法相結(jié)合，開(kāi)展急傾斜煤層回采巷道壓力監(jiān)測(cè)分析，得出回采巷道上幫變形是兩幫移近的主要因素，也是高幫片幫的薄弱所在。提出的錨鋼復(fù)合支架支護(hù)結(jié)合被動(dòng)支護(hù)與主動(dòng)支護(hù)特長(zhǎng)，支架相互連接形成整體，具有防倒防滑功能，抗剪切能力增強(qiáng)。該項(xiàng)目累計(jì)節(jié)約費(fèi)用50.8萬(wàn)元，在類似巷道中具有較廣泛的推廣使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：回采巷道；錨鋼復(fù)合支架；防倒防滑

1 原回采巷道支護(hù)體系存在問(wèn)題分析

綠水洞煤礦開(kāi)采水平由+528m水平逐步向+350m水平延伸，礦井瓦斯災(zāi)害隨之升級(jí)，根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院于2010年9月提供的《綠水洞煤礦K1煤層瓦斯瓦斯基本參數(shù)測(cè)定及突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告》，綠水洞煤礦K1煤層有突出危險(xiǎn)性。突出礦井急傾斜煤層回采巷道實(shí)現(xiàn)綜掘機(jī)掘進(jìn)，但巷道支護(hù)一直都是國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)的一大難題，對(duì)于此方面的研究成果和成熟應(yīng)用目前還比較少。急傾斜綜采回采巷道支護(hù)方式目前采用的主要有錨網(wǎng)支護(hù)、架料支護(hù)和錨棚支護(hù)。對(duì)煤層巷道采取錨網(wǎng)噴支護(hù)，取得一定效果，但支護(hù)成本太高，對(duì)煤巷安全快速掘進(jìn)制約太大。

國(guó)內(nèi)其他類似煤礦，據(jù)了解，基本以金屬支架支護(hù)為主。開(kāi)采水平延伸伴隨而來(lái)的問(wèn)題主要是煤層傾角越來(lái)越大，為不破壞煤層頂板穩(wěn)定性，煤層巷道在掘進(jìn)工藝和支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)都采取沿煤層頂板掘進(jìn)，當(dāng)煤層傾角增大時(shí)，造成巷道矮幫與高幫的高差增大。當(dāng)煤層傾角大于45°時(shí)，巷道高幫高度達(dá)到5.7m，造成巷道高幫支護(hù)非常困難，巷道圍巖應(yīng)力發(fā)生較大變化時(shí)，頂板易出現(xiàn)離層，高幫出現(xiàn)側(cè)鼓，增加了巷道支護(hù)和維修成本，施工安全威脅較大。

金屬防倒支架架料支護(hù)體系存在問(wèn)題分析：巷道掘進(jìn)過(guò)程中使用梯形金屬防倒支架架棚支護(hù)，頂部留設(shè)三角煤，由于煤層堅(jiān)固性系數(shù)較小（f=2～3），三角煤留設(shè)較困難，常造成梯形金屬防倒支架頂部空頂，有時(shí)形成高冒孔洞區(qū)域，對(duì)空頂區(qū)域采用架木垛支護(hù)及煤矸充填，接頂?shù)姆€(wěn)定性和牢靠性較差，隨著時(shí)間的推移，支架梁和腿受煤層頂板壓力和兩幫擠壓力逐漸增大，出現(xiàn)頂梁和兩幫支架腿彎曲變形、折斷等問(wèn)題，增加巷道維修工作量，同時(shí)也對(duì)維修人員安全造成威脅，掘進(jìn)過(guò)程中不能直觀全面預(yù)見(jiàn)前方揭露的地質(zhì)構(gòu)造情況。工作面回采過(guò)程中由于煤層硬度小，受采場(chǎng)壓力變化及巷道圍巖應(yīng)力變化影響，高幫側(cè)巷道頂部煤炭垮落后，巷道頂板大面積空頂且長(zhǎng)期懸吊，造成煤層頂板出現(xiàn)離層，工作面回采端頭支架推移時(shí)升降使頂板破碎后，端頭支架接頂困難，只能采取端頭支架頂梁上部墊方木接頂，接頂面積有限，形成惡性循環(huán)，另回采過(guò)程中工作面下出口頂板垮落的矸石在端頭支架推移過(guò)程中容易掉入端頭支架內(nèi)，造成3#端頭支架與2#端頭支架間隙大于200mm，需采用戴帽點(diǎn)柱進(jìn)行支護(hù)，造成推移缸行程縮短，增加了下端頭液壓支架升降次數(shù)，對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)離層的下出口頂板造成更大的破壞。下端頭液壓支架推移時(shí)間的增長(zhǎng)，直接影響工作面推進(jìn)速度，工作面推進(jìn)速度減慢，造成工作面煤壁側(cè)壓力增大煤壁出現(xiàn)片幫，急傾斜綜采工作面片幫產(chǎn)生飛矸，若工作面遇裂隙、斷層等地質(zhì)構(gòu)造，工作面推移速度緩慢，工作面片幫極易發(fā)生頂板冒落事故，對(duì)工作面安全生產(chǎn)造成較大威脅和影響。

原錨棚支架支護(hù)體系存在的問(wèn)題：結(jié)合綠水洞煤礦回采巷道特性，研究出適用于大傾角煤層巷道采用錨桿支護(hù)和金屬支架聯(lián)合支護(hù)的錨棚支架，由錨桿、支架頂梁和支架腿組成。錨棚支架頂梁梁頭處采用兩根錨桿進(jìn)行固定，當(dāng)煤層傾角增大、巷道頂板壓力增大或受采動(dòng)壓力影響，造成頂梁梁頭處錨桿被剪斷或梁頭與頂板不呈面接觸導(dǎo)致受力不均變形，對(duì)巷道內(nèi)作業(yè)和通行人員構(gòu)成安全威脅；支架頂梁尾部置于支架腿上，沒(méi)有采取防滑手段，支架腿下部采用一根漲殼式錨桿進(jìn)行鎖腳處理，由于相鄰兩支架未采用拉桿連接，支架易出現(xiàn)移動(dòng)、變形、傾倒造成失穩(wěn)，引起局部冒頂和頂板冒落。

2 技術(shù)方案選定

在原錨棚支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，形成錨鋼復(fù)合支架，主要由固梁錨桿、穩(wěn)樁、頂梁連接板、支架頂梁、限位梁端、頂梁尾托板、拉桿、鐵托板、支架腿、鎖腳錨桿組成。固梁錨桿作用為通過(guò)頂梁連接板將支架頂梁上端與頂板固定在一起，起固定支架頂梁梁頭的作用，穩(wěn)樁加強(qiáng)固定頂梁連接板，增強(qiáng)固梁錨桿的抗剪切能力，鎖腳錨桿的作用是固定支架腿和支護(hù)煤層底板。支架頂梁尾部置于支架腿上，通過(guò)限位梁端有效防止支架頂梁滑動(dòng)，限位梁端長(zhǎng)度要求不小于100mm，支架頂梁的頂梁尾托板與拉桿、支架腿的鐵托板通過(guò)螺栓進(jìn)行連接固定，拉桿的另一端連接相鄰支架，起防倒、傳遞支架間壓力和保持支架穩(wěn)定性的作用，使支架由單體受力變?yōu)檎w支架受力，有效抵抗局部來(lái)壓、斜向來(lái)壓和爆破沖擊波的沖擊等。錨鋼復(fù)合支架的支架腿起穩(wěn)定和支護(hù)高幫側(cè)防煤矸垮落和側(cè)鼓，緩沖圍巖變形的作用。錨鋼復(fù)合支架的支架頂梁起到穩(wěn)定和支護(hù)頂梁上方防煤矸垮落冒頂?shù)淖饔茫Ъ茼斄荷涎鼋嵌葹?至20°。支架頂梁背頂采用混凝土背板，確保每架支架之間不漏竄煤矸。頂梁連接板的傾斜角度隨煤層傾角α的變化而變化，以確保與頂板呈面接觸。該支護(hù)形式在巷道寬度確定后，若煤層傾角變化較大，錨鋼復(fù)合支架頂梁則根據(jù)煤層傾角變化而變化（增長(zhǎng)或縮短），在施工過(guò)程中需隨時(shí)觀察、測(cè)量和掌握煤層傾角的變化情況，來(lái)確定錨鋼復(fù)合支架頂梁的長(zhǎng)短。該方案可解決煤層頂板懸吊面積大的問(wèn)題，巷道揭露出的頂板采用樹(shù)脂錨桿加錨索加錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨棚支架梁子上方三角煤減小不易發(fā)生垮落，頂板的完整使端頭支架推移自如，超前容易支護(hù)，不再影響工作面的推進(jìn)度，解決了工作面煤壁因壓力大發(fā)生片幫飛矸和遇地質(zhì)構(gòu)造后冒頂?shù)陌踩{，且在回采過(guò)程中可隨時(shí)直觀的掌握工作面前方揭露的地質(zhì)構(gòu)造情況，可根據(jù)揭露的地質(zhì)構(gòu)造情況對(duì)工作面及上下出口采取有針對(duì)性的加強(qiáng)支護(hù)方案，對(duì)回采期間安全生產(chǎn)有較大好處，減輕了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。優(yōu)點(diǎn)：有效保護(hù)頂板和三角煤，采用主動(dòng)支護(hù)和被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合，支護(hù)工作強(qiáng)度相對(duì)較小，維護(hù)工作量小，頂梁和腿子不易產(chǎn)生變形，利于后期回采頂板支護(hù)，基本可回收復(fù)用。缺點(diǎn)：不能適應(yīng)地質(zhì)構(gòu)造變化地段巷道支護(hù)。

3 錨鋼復(fù)合支架支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)

當(dāng)煤層傾角大于35°時(shí)，采用錨鋼復(fù)合支架進(jìn)行支護(hù)，梁子長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤層傾角確定，腿子長(zhǎng)2.8m，棚距一般為0.8m，頂部、高幫采用砼背板花背，笆片密鋪，并用煤矸充填嚴(yán)實(shí)。錨鋼復(fù)合支架腿子腳窩深度不得小于0.3m，在錨鋼復(fù)合支架腿子距底板500mm處采用φ=16mm、L=1.8m的漲殼式錨桿施工一組鎖腳錨桿進(jìn)行固定防倒，錨鋼復(fù)合支架梁子梁頭采用一根L=700mm、φ=36mm的穩(wěn)樁和2根φ=18mm、L=2.0m的樹(shù)脂錨桿固定在頂板上，矮幫側(cè)頂板采用φ=18mm、L=2.0m的樹(shù)脂錨桿配金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距1.0m，并布置單排錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨索間距4.0m，遇斷層時(shí)則在斷層上、下盤各增加布置一根錨索（間距視現(xiàn)場(chǎng)情況而定）。錨索選用L=5.0m，φ=15.24mm的低松弛鋼絞線，每根錨索內(nèi)安設(shè)4條樹(shù)脂錨固劑，其型號(hào)為ZK2350。矮幫采用φ=16mm、L=1.8m的漲殼式錨桿配金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿排距為1.0m，間距為0.8m，金屬網(wǎng)與煤壁間笆片密鋪。

巷道施工過(guò)程中，巷道頂部支架支護(hù)部分采用前探梁作為臨時(shí)支護(hù)，前探梁由2根L≥5m的4寸鋼管（φ=101.6mm）加前探梁抓子配2～3塊木板（規(guī)格：長(zhǎng)×寬×厚=2000×250×50，單位：mm）組成，前探梁抓子由礦統(tǒng)一設(shè)計(jì)并加工。先將每根探梁使用2個(gè)前探梁抓子固定在支架梁子上，將探梁由外向里推移至工作面后，在探梁上鋪設(shè)木板，木板要密鋪，然后作業(yè)人員必須站在前探梁木板下把金屬支架梁子放到前探梁上，接著將支架腿子架設(shè)好，調(diào)好支架間距，然后用支架梁頭錨桿將支架梁頭固定，再在支架梁子上鋪設(shè)背板、笆片，鋪設(shè)到前探梁木板位置時(shí)，取下該木板進(jìn)行鋪設(shè)，頂部鋪設(shè)完后方可鋪設(shè)巷道高幫。巷道頂部錨網(wǎng)支護(hù)部分采用玻璃鋼單體液壓支柱配踩子板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，踩子板靠頂板沿煤層傾向鋪設(shè)，點(diǎn)柱間距1.5m，排距1.2m，且用木楔子楔緊，保證點(diǎn)柱迎山有力。正端面采用一排玻璃鋼單體液壓支柱作臨時(shí)護(hù)幫支護(hù)，正端面點(diǎn)柱上方加踩子板接頂，踩子板靠煤壁沿傾向鋪設(shè)，點(diǎn)柱間距1.5m，且用木楔子楔緊，保證點(diǎn)柱迎山有力。高幫支護(hù)部分采用前探梁作為臨時(shí)支護(hù)，前探梁由2根L≥5m的4寸鋼管（φ=101.6mm）加前探梁抓子配塊木板（規(guī)格：長(zhǎng)×寬×厚=2000×250×50，單位：mm）組成，木板直立鋪設(shè)，前探梁抓子由礦統(tǒng)一設(shè)計(jì)并加工。先將每根探梁使用2個(gè)前探梁抓子固定在支架腿子上，將探梁由外向里推移至工作面后，直立鋪設(shè)木板，木板要密鋪，待支架高幫腿子立好后才取下直立木板進(jìn)行背幫。

4 急傾斜回采巷道壓力監(jiān)測(cè)

為了檢測(cè)支護(hù)效果，對(duì)試驗(yàn)段巷道進(jìn)行變形實(shí)測(cè)，在距離工作面200m處布置5個(gè)觀測(cè)站，測(cè)站間距30m。巷道斷面內(nèi)布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別檢測(cè)巷道兩幫與頂?shù)装宓淖冃吻闆r，取各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行處理，根據(jù)巷道圍巖變形量判斷錨鋼復(fù)合支架支護(hù)對(duì)巷道的控制作用。巷道優(yōu)化支護(hù)之后，對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行為期1個(gè)月的監(jiān)測(cè)，主要采用人工收集數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)巷道圍巖的位移變形量。巷道頂?shù)装逡平吭谇?6d內(nèi)增長(zhǎng)較快，第16d之后，巷道變形趨于穩(wěn)定，移近量為65mm，在第6～14d變形速度最快；兩幫移近量在前16d內(nèi)增長(zhǎng)速度基本保持不變，16d以后變形趨于穩(wěn)定，移近量48mm后增長(zhǎng)的幅度較小。急傾斜煤層回采巷道上幫變形是兩幫移近的主要因素，上幫變形在第14d之后趨于穩(wěn)定。巷道圍巖變形量隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖1、圖2。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）研究分析金屬支架架料支護(hù)和錨棚支架支護(hù)體系與現(xiàn)場(chǎng)存在的不適之處，優(yōu)化改進(jìn)提出采用錨鋼復(fù)合支架支護(hù)體系，衍生形成專利成果“一種用于急傾斜煤層回采巷道錨鋼復(fù)合支架”。

（2）采用工程類比法與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析法相結(jié)合，開(kāi)展急傾斜突出煤層回采巷道壓力監(jiān)測(cè)分析，得出急傾斜煤層回采巷道上幫變形是兩幫移近的主要因素，也是高幫片幫的薄弱環(huán)節(jié)，關(guān)鍵是要確保對(duì)巷道高幫的支護(hù)強(qiáng)度。

（3）研究提出的錨鋼復(fù)合支架支護(hù)結(jié)合被動(dòng)支護(hù)與主動(dòng)支護(hù)兩種方式，支架相互連接形成整體支護(hù)系統(tǒng)，具有防倒防滑功能，抗剪切能力得到增強(qiáng)。

作者簡(jiǎn)介：周忠國(guó)（1985-），男，四川資中人，大學(xué)本科，管理學(xué)學(xué)士，采礦助理工程師，綠水洞煤礦科技中心副主任，從事礦井生產(chǎn)和科技管理工作。