綜采工作面回撤通道支護優化研究

李樂飛

（晉能控股煤業地煤樹兒里煤業有限公司， 山西 大同 037000）

0 引言

根據晉能控股下屬煤礦實際情況，在過往實際生產時，使用長度為4 m 的11 號型礦工鋼和單體柱進行搭配，完成回撤通道頂板的支護。礦工鋼的兩側分別頂在支架頂梁之上和煤壁處，然后升高單體柱頂緊和支架一起支護。在每個液壓支架上架設2 個中間間隔0.7 m 的工字鋼，再通過8 號型鐵絲加固；煤壁采用錨桿與菱形網支護及貼幫柱支護兩種方法，單體柱之間相隔0.7 m。在菱形網進行使用過程中，工人需要對其拼接，由于拼接處受力問題會時常出現斷裂現象，而且由于其他鋼材和柱體質量較大，實際施工進度較為緩慢。為了實現礦井下高效開采，對井下工作面進行研究，設計出一種采取柔性聚酯增強塑料網（下文簡稱為“呼柔性網”）和錨索一起使用的鋪網工藝，用以在回撤通道安全施工。

1 回撤通道

1.1 回撤通道區域圍巖結構分析

4204 工作面情況如下：長度約1 480 m，傾斜長約180 m，傾角在3°～8°之間，煤層厚度平均約3.2 m。為了科學地選擇支護回撤通道的工作參數，首先要選擇測點，根據實際需要在工作面的膠帶選擇一個測點，在回風順槽選擇一個測點；然后布置其具體的位置，選擇回撤通道和交代順槽連接處作為第一測點，選擇回撤通道和回風順槽連接處作為第二測點。接著對圍巖情況進行研究分析。

結合第一點的觀測結果與所查閱的相關文獻資料進行對比研究，結果顯示：第一點頂板上方有1.8 m的灰黑色泥巖，在該處圍巖有裂隙；在上方1.8～7.4 m之間有灰色的粉砂巖，該處圍巖完整；在上方7.4～18 m之間有鈣質膠結的細砂巖，該處圍巖層理均勻，其中部10～13.6 m 間含煤線夾層；在上方18～20 m 之間有灰色的粉砂巖，該處圍巖完整。

結合第二點的觀測結果與所查閱的相關文獻資料進行對比研究，結果顯示：第二點頂板上方有2.3 m的灰色泥巖，其間2.1 m 處有顯著裂隙；在上方2.3～8.1 m 之間有灰色的粉砂巖，該處圍巖層理均勻，其間5 m 處有煤線夾層；在上方8.1～18 m 之間有灰黑色細砂巖，該處圍巖呈波狀紋理，其間15.7 m 處有煤線夾層；在上方18～20 m 之間有灰色粉砂巖，該處圍巖完整。在兩處測點的頂板上方2.3 m 內圍巖主要是不牢固、易破碎的易泥巖，2.3～7.4 m 之間主要是幾乎未損壞的粉砂巖。

1.2 回撤通道支護設計

通過頂板巖層的情況來看，支護直接接觸的區域為容易破碎的泥巖層，為了改善頂板的離層冒落問題，需要針對頂板上方2.3 m內的巖層進行控制。解決方法為：錨索穿過泥巖層主要固定在完整的粉砂巖層內，兩巖層能夠形成組合，上方牢固的粉砂巖層也能通過錨索懸吊起下方的泥巖。頂板支護和幫部支護采取錨索、鋼帶、鋼絲繩與柔性網進行搭配的方式，可以降低工作人員的勞動強度，有效提高工作效率，實現安全生產[1]。

2 設計參數的確定

2.1 錨索技術參數

為了滿足一定的安全要求和經濟性要求，按照采取高強度及剛度、低支護密度的準則來進行選擇錨索。首先錨索需要滿足高的強度、剛度來維持支護能夠具備一定的可靠性，在此基礎上，低支護密度可以降低工人的頻繁勞動，提高工作效率，從而提高開采速度。

2.1.1 錨索長度的確定

錨索長度主要包括3 段，分別為外露、有效、錨固段。在實際選取錨索的長度時，為了足夠的安全性，需要取標準中要求的最大長度。回撤通道總跨度4.2 m，按照組合拱理論進行計算公式為：

式中：L 為相應的錨索長度，m；K 為相應的安全系數，取2；h 為冒落高度，m；l1為相應的錨索錨入穩定巖層的深度，取1.5 m；l2為相應的錨索在巷道中的外露長度，取0.3 m；b 為相應的巷道寬度，取4.2 m；f 為相應的頂部巖石堅固性系數，取2。

經上述計算，解得的錨索總長度L 是3.9 m，結合巷道頂板的巖層結構，選擇4.3 m 長度的錨索比較合理。

2.1.2 錨索間距、排距的確定

錨索的間距和排距由式（3）計算得到。

式中：la為相應的錨索間距，m；F 為相應的錨索最大抗拉拔力，要求達到200 kN 以上，取200 kN；h' 為相應的頂板松動高度范圍，取2.3 m；ρ 為相應的被懸吊巖層的密度，取巖石平均值2 640 kg/m3。

經上述計算，解得的Ia是1.29 m，結合實際情況，選擇為1 m 的間距和排距。

2.2 柔性網技術參數

為了避免小型巖塊的破碎掉落，柔性網必不可少，它可以附著在巷道的表層，阻擋巖塊垮掉，同時傳遞錨桿的受力載荷給錨索。本文所使用的是一種新型樹脂纖維聚合網材的柔性網。

鋪網長度順著工作方向頂板鋪設的長度來選取，根據式（4）計算：

式中：b1為柔性網工作方向鋪設長度，m；l1為液壓支架梁端距，取4.2 m；l2為支架頂梁長，取4.35 m；l3為支架頂部距底板距離，取3.2 m；l4為煤幫預留柔性網長度，取3 m；lD為采空區矸石埋網長度，取2.3 m，此處為滿足實際使用，選擇3 m。

經過計算解得b1是17.75 m，最終選擇柔性網工作方向鋪設長度是18 m。

柔性網長度的影響因素很多，包括切眼長度、網的規格參數、運輸受限等多方面。針對本文4204 工作面長度約180 m，選取1 片參數長為190 m、寬為18 m的柔性網，網的兩側分別超過煤壁5 m。

貫穿工作面的鋼絲繩參數為長190 m、直徑21.5 mm，放置8 根于支架上部，其間隔為1 m。

2.3 柔性網在回撤通道形成中的應用

2.3.1 安裝絞盤

在末采時，先裝好絞盤、定滑輪。所有的絞盤裝配在液壓支架上，位置在靠機尾的立柱上，最好處于立柱柱筒上方300 mm 高。鋼絞線繞定滑輪，一端過支架上端吊環，預留5 m 的活頭。總計121 個液壓支架，鋼絞線參數為長25 m、直徑6 mm[2]。

2.3.2 鋪網施工流程

1）在采煤機進行工作截割煤體前，人工絞起柔性網片，隨后進行截割。

2）在采煤機完成截割后，繞動絞盤放松柔性網，隨之完成跟機拉架動作。

3）在拉架動作完成后，人工絞起柔性網片，進行清理浮煤工作。

2.3.3 回撤通道的形成

綜采面鋪網后，再向前掘進10 m，然后拆卸下運煤溜槽的推拉桿，移架暫停，手動操作單體液壓支柱控制溜槽完成截割煤體工作，在截割4.2 m 后暫停開采，然后延伸纖維網、鋼絲繩到回撤通道，對頂板和幫部的支護如圖1 所示。

圖1 回撤通道支護示意圖

2.3.4 支護形成后的礦壓監側及結果分析

回撤通道支護完成后，通道里選取3 個測點以監測頂板的下沉狀態，表1 為測點的檢測效果。在下沉6 d 后，頂板接下來的下沉量較低，較為穩定，此時巷道已經不再變形，說明支護效果良好，錨索的支護能力內，后續頂板巖層幾乎無位移，沒有不協調變形出現，本設計的支護參數合理，效果良好。

表1 頂板位移觀測結果

2.3.5 與傳統支護工藝相比的優缺點

1）相比于傳統工藝，本工藝采取主動支護，其優秀的抗變形支撐能力能夠滿足頂板的穩定，完成對回撤通道的加固。

2）可根據礦井實際情況，選取合適尺寸的柔性網，比起鐵絲網來說，不要多張網連接，鋪網期間不需要綁扎工作。

3）選用的柔性網材料性能優越，不易撕裂，而鐵絲網易出現漏頂問題。

4）支護設備的質量相對較小，工人沒有很高的勞動強度。

5）采用機械收放、架設柔性網，大大節約了工作時間，提高工作效率，相對傳統工藝，在經濟上節約了約8 萬元的工時費用。

6）避免了煤壁下手動綁扎，大大提高了工人的安全。

3 結語

本文使用錨索、鋼帶與柔性聚酯增強塑料網掛網協作形成一種用于回車通道防護的新支護工藝。通過實際采用后，該工藝大大降低了工人的勞動強度，減少了回撤時間，在可以穩定頂板的同時，還提高了回撤時的安全性。通過在大同煤礦區域實際應用，得到了顯著的經濟效益。