郭莊煤業公司3308工作面沿空留巷支護設計研究

張永杰

(山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046000)

1 工作面簡介

郭莊煤業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回風大巷，北部為三采區回風大巷。3308工作面長度約為2 200 m，傾向長度為230 m，傾角約為20°。3308工作面位于5號煤層，屬于可采煤層，走向為南北方向，厚度約為6.15 m，賦存于二疊系山西組地層中下部，堅固性系數為0.5～0.7，煤質以貧煤為主，埋深為380～420 m。頂底板巖層包括細粒砂巖、泥巖、粉砂巖、砂質泥巖、煤，具體結構參數示意如圖1所示。3308工作面東部有正斷層發育，高度為0～7 m，頂底板有6個富水異常區，頂板水害為主要水害類型，底板在掘進時奧灰水影響較小，巷道涌水量最大為20 m3/h，平均涌水量為5 m3/h。

圖1 3308工作面頂底板巖層結構參數示意

2 3308工作面沿空留巷支護設計

2.1 巷旁支護

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

依據過往的設計經驗，柔性模板采用三維紡織結構設計，其結構示意如圖2所示。三維紡織結構模板由內部拉筋與外部加筋纖維布兩部分組成，為封閉結構，結構外形與支護體幾乎相同，有固定裝置以及自閉灌注口設置，材質輕、強度高、實際施工也較為方便。水泥使用M40強度等級的水泥漿，具有密實、高強、早強等特點。

圖2 三維紡織結構模板示意

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

鋼筋鋼帶焊接材質為D16 mm鋼筋，依據三維紡織結構模板要求，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以及長度為3.5 m的豎鋼筋鋼帶(長度依據實際高度制作)，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) 壓力計算。沿空留巷壓力主要通過疊加層板法進行計算，依據彈塑性力學理論與頂板特征，將沿空留巷的頂板簡化為矩形疊加層板。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，長支承邊承受載荷為其余部分。選取矩形板中單位寬度長條帶載荷分布面積占有最大的長條帶作為計算模型，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，兩圖的長條帶形式一樣，簡化為圖4(e)。

圖4 疊加層板法沿空留巷壓力計算模型示意

疊加層板法沿空留巷壓力計算公式為：

P=(M1+M2+M3)/a

M2=[a+(n-1)htanα]γhL

M3=Rh2/6

式中：n為垮落層數，取11；a為維護寬度，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為巖層垮落巖塊長度，取8 m；R為抗拉強度，取1.5 MN·m。

將數據帶入公式計算可得，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

待澆筑空間圍護的設計主要由采空區圍護、端頭區圍護以及待澆筑空間支護三部分組成。

2.2.1 端頭區圍護設計研究

端頭區圍護的主要作用是對頂煤的完整性進行保護，防止移駕后頂煤發生垮落。現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有所欠缺，故需對該部位進行優化改造。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，確保頂煤支護的可靠性；另一種是在尾梁千斤頂處增加長套與機械。同時，還需進行錨網索梁支護結構的保護。在進行回采時，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，采用木梁對頂板進行支護，使得移架與支架升降不對原來的支護結構造成破壞。

2.2.2 采空區圍護設計研究

采空區圍護的設計是為了不讓煤炭生產過程中采空區內的矸石涌入留巷內。3308工作面傾角約為20°，隨著工作面回采的開展，頂板會發生垮落現象，矸石進入運輸巷會對沿空留巷施工造成影響。依據相關經驗，采空區圍護設計采用沿空留巷擋矸支架的方法。擋矸支架的結構為邁步自移式結構，兩支架為一組，具體功能包括擋矸、自移、糾偏、支護、切頂、遠程遙控以及自適應巷道留巷等。當工作面支架移動后，擋矸支架需同步移動，保證沿空留巷作業環境的安全。

2.2.3 待澆筑空間支護設計研究

為防止澆筑水泥漿墻體前頂板發生垮冒或過早下沉現象，過渡支架前移后對待澆筑空間采用一梁兩柱的方法進行臨時支護。其中，π型梁長度應設計為1 500 mm，間排距應設計為1 200 mm×600 mm，打設走向為與沿空留巷垂直。待澆筑空間臨時支護平面示意如圖5所示。

圖5 待澆筑空間臨時支護平面示意

2.3 沿空留巷臨時支護設計研究

沿空留巷的動壓顯現一般分為兩個階段，第一階段為滯后工作面第一個周期來壓步距內，第二階段為滯后工作面4～6個周期來壓步距內。通常情況下，第二階段的動壓顯現較第一階段更強，故應以第二階段動壓顯現范圍為研究對象。通過測算，郭莊煤礦周期來壓步距為26～31 m，臨時支護范圍應確定在100～150 m。超前工作面大于50 m處采用一梁一柱的支護方法，50 m內采用一梁三柱的方法，滯后工作面采用一梁四柱的方法，排距設計為900 mm。單體液壓支柱選取DW40-350/110X型，π型梁長度設計為3 700 mm、1 000 mm、4 000 mm。膠帶巷道超前支護臨時支護平面如圖6所示。

圖6 膠帶巷道超前支護臨時支護平面(mm)

3 支護方案效果分析

將上述沿空留巷支護應用于3308工作面回采巷道與留巷后發現，巷道兩幫的變形量約為110 mm，頂底板位移量約為140 mm，符合相關安全規定；3308工作面沿空留巷支護可減少掘進巷道長度約2 500 m，費用減少約1 400萬元，提升企業經濟效益效果顯著。

4 結 語

針對郭莊煤業公司3308工作面沿空留巷支護技術尚不成熟的問題，本文通過對郭莊煤業公司礦井的實際條件進行分析，設計出了3308工作面的沿空留巷支護方案，通過研究分析得出了以下結論：

1) 巷旁支護柔性模板采用三維紡織結構設計，沿空留巷壓力值應為16 305.2 kN/m；待澆筑空間圍護設計包括采空區圍護、端頭區圍護以及待澆筑空間支護三部分，采用一梁兩柱與擋矸支架的方法；臨時支護采用支架與單體結合的方法。

2) 將支護方案應用于3308工作面后，巷道兩幫與頂底板位移量符合相關要求，對沿空留巷穩定性有所提升，沿空留巷的使用使企業節約成本約1 400萬元，提升了企業效益。