復雜條件下殘采工作面煤巷掘進支護技術

闕啟欽 福建煤電股份有限公司翠屏山煤礦，福建 龍巖 364000

翠屏山煤礦在三十余年的開采過程中，受到地質構造、煤層賦存、水文地質等地質因素的干擾以及開采工藝的限制，使得井下多處遺留有煤柱。近年來隨著井下可采儲量的日益枯竭以及開采工藝的改進和對井下地質情況的長期積累，使得借由對過去回采中遺留殘采工作面的掘進回采，以提升煤炭資源利用率和延長礦井服務期限成為可能。

1 工程概述

翠屏山煤礦2201 殘采工作面東西南北分別為2203 采空區煤柱、2203 采空區、2200 采空區以及采區上下山軌道。整個回采面標高為-230m～265m，埋深-340m～-352m。其所采煤層厚度介于2.8m～3.5m 之間，由于部分區域煤層偏薄，在沿底板進行回采時存在將底板巖層破壞的可能。

此外，鑒于整個工作面位于72-15-83-6 向斜構造的軸部位置，其受到向斜構造的影響使得煤層產狀起伏變化極大，不僅傾角不穩、頂板存在局部的不平整現象，同時工作面應力集中程度較高，存在大量斷層發育現象。該工作面在1998 年以對第一分層進行過回采，煤層上部直接頂與偽頂均已垮落，后經注漿后固結形成人工頂板。在進行第二分層的回采時，沿底板作業，作業過程中由于上部人工頂板固結較差，極易出現冒頂現象。為充分確保回采的順利進行，提升煤炭利用率，通過全面的分析研究，選用留窄煤柱的掘巷回采技術進行殘采工作面回采。

2 掘進巷道變形與支護問題

2.1 掘進巷道變形

伴隨巷道掘進回采長度的不斷增加，巷道圍巖的礦壓顯現亦會不斷增強，巷道頂板易出現開裂與離層現象。特別是在與斷層相鄰的區域內，巷道變形現象更是極為顯著，頂板下沉的同時兩幫亦會發生內移，甚至底板還會出現底鼓。在實際回采作業中，巷道右側棚腿出現了顯著的內凹變形，且發生顯著的滑移現象，根據實測局部巷道頂底板與兩幫的移近量分別在1300mm 與1200mm 以上。其變形主要特征可歸納為以下三點:一是巷道兩側幫壁內移明顯，部分區段甚至在頂板中央出現尖頂形破壞;二是巷道頂板下沉量相對較大，局部區段頂板變為平頂狀;三是巷道發生強烈的底鼓現象，特別是臨近斷層的區域，底鼓量可占頂底板移近量的七成以上。

在巷道掘進作業初始階段，工作人員僅在巷道頂板布設了頂板收斂觀測點。以便對巷道的頂底板移近量和兩幫收斂量進行實時的動態監測。根據監測數據顯示，巷道在前六天的掘進中變形量相對較大，隨后第七條至第二十五天為過渡階段，巷道變形量逐漸減小，在三十天以后巷道進行穩定期，兩幫與頂底板基本不再變化。變形穩定后，兩幫收斂量介于50mm～600mm 之間，頂板下沉量與底鼓量分別介于50mm～300mm 之間與100mm～700mm 之間，支架完好率不足五成，這使得確保安全生產有效進行的巷道斷面積難以獲得維持。

2.2 掘進巷道支護失效原因

回采工作面煤巷掘進過程中，巷道支護非常困難，巷道圍巖變形嚴重，支架破損率較高。究其原因主要為六個方面的因素:其一，煤巷頂板巖層膠結程度較差，易風化與遇水軟化，并且回采巷道受到區域構造應力影響，頂底板巖層較為破碎。其二，巷道圍巖強度較低，巷道頂板為炭質泥巖、泥巖，巷道掘進中易發生垮落，煤層及巷道底板泥巖強度均較低，巷道掘進后圍巖變形量較大;其三，受構造應力影響嚴重，回采巷道區域處于構造應力影響帶，加之圍巖結構強度較低，使得圍巖破碎程度高，增加了支護難度;其四，應力集中程度較為顯著，工作面所處區域為復雜地質條件，應力集中系數較高，部分巖體處于工程軟巖狀態，表現出非線性大變形和流變性，影響巷道支護效果;其五，圍巖易發生遇水膨脹。

3 殘采工作面煤巷掘進支護設計

在充分分析巷道圍巖條件與原支護方案不足情況下，擬對原支護方案進行優化設計:(1)殘采工作面煤巷掘進支護仍然沿用工字鋼對棚，型號為梁×腿=3.0m×2.6m，巷道斷面形式選用正梯形。(2)原掘進巷道圍巖變形量較大的原因之一在于支護的承載能力不足，因此，新支護中對巷道頂梁下打設點柱，增強工字鋼支撐能力，提高支護穩定性。點柱材料選用U 型鋼可縮性點柱，與原先木點樁不同，U 型鋼可縮性點柱具有一定的可縮性，能夠允許工字鋼對棚有一定的變形，釋放部分圍巖彈性能。U 型鋼可縮性點柱高度設計為2.6m，由兩節1.5m 長U 型鋼組成，U 型鋼之間連接采用2 個卡纜，卡纜扭矩控制在200N.m-250N.m 之間;上端與下端各焊接一槽鋼，以擴大與定梁與底板的接觸面積，U 型鋼點柱與定梁接觸處可用木楔進行背牢。(3)為了避免工字鋼棚架支護不穩定情況出現，設計在棚子上安設撐桿，在距殘采掘進工作面10m 范圍內全部采用可縮性撐桿進行加固。鐵撐桿材料主要為Φ40mm 螺桿、螺帽以及Φ50mm 鐵管，在鋼管內安設彈簧與兩端進行鋼板連接，端頭鋼板尺寸為長×寬×高=60mm ×60mm ×50mm。可縮性鐵撐桿的打設數量應控制在60 根以上(距掘進工作面10m 內巷道)，每個棚架上安設數量原則上不少于6 根，頂板、上下幫各兩根，應視情況增加鐵撐桿數量。上下幫鐵撐桿安設在距頂梁50mm 位置，柱上撐桿打設位置距頂底板距離分別為200mm 與300mm，安設過程中可參考巷道中線位置，鐵撐桿長度可通過螺絲帽進行調節。

4 工程支護效果分析

巷道掘進支護后對巷道表面位移情況進行監測，監測時間為40天。將新支護方案圍巖變形量與原支護方案變形量進行對比分析，得出，隨支護時間的延長，巷道圍巖變形量逐漸增加，到30 天左右變形量趨于穩定;但新支護方案的圍巖變形量明顯小于改變支護之前，頂板下沉量變化較為明顯，由原先的245mm 下降到175mm，兩幫圍巖變形也得到顯著改善。巷道支護過程中未出現支架折損、頂板冒落、推棚等不良現象，圍巖變形穩定后的巷道斷面達到安全開采使用要求，綜合分析新方案支護效果良好。

5 結語

通過對殘采工作面所處環境的勘探可知其地質條件極為復雜，在進行掘進回采作業時僅僅通過傳統的巷道支護手段多難以達成對巷道的安全支護。往往短時間內就會導致支架發生較大的變形，致使巷道斷面積的大幅縮小，從而致使通風阻力增大，巷道配風困難，對安全、高效的生產造成威脅。為此，翠屏山煤礦技術工作者對傳統煤巷支護技術展開深入探究，在工字支架的基礎上通過對鐵撐桿與可縮性點柱的運用，極大地提升了巷道與支架承受圍巖變形的能力，使得礦井支護效果獲得顯著改善。

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