巷道长距离交替循环临时支护成套装备关键技术研究

李 刚

1中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤机装备有限公司 山西太原 030006

长壁综采相邻工作面之间留设保护煤柱，导致煤炭资源浪费，巷道掘进工作量大，采掘衔接不平衡，影响了采煤工作面的有效接续。近年来，许多矿井采用沿空成巷无煤柱开采技术[1]，提高了资源回采率，延长了矿井服务年限，改善了矿井安全条件，降低了巷道掘进工作量，简化了工作面接续程序[2]。

沿空切顶巷道在成巷过程中的临时支护仍存在着一些问题。传统的单体支护方式支护工序复杂，劳动强度高，安全系数低；整体式与分体式超前支架组[3]不能避让巷道顶板的锚索与锚杆，反复支撑对顶板永久支护造成很强的破坏，不利于成巷稳定后巷道顶板的完整性，且在使用过程中操作复杂，灵活性差；单元支架对巷道顶板支护面积小，搬运复杂，劳动强度大。采用新开发的巷道长距离交替循环支护成套装备对沿空切顶留巷巷道实现无反复支撑，能够避免对巷道顶板锚网索支护系统造成破坏，保证超前与沿空留巷顶板巷道整体的完整性与稳定性，同时操作简单，支护效果好，降低了劳动强度，对于提高沿空切顶成巷无煤柱开采工艺水平，实现矿井绿色、安全、高效开采具有重要意义。

1 地质条件

8201 工作面位于三盘区山 2 号煤层，水平标高为 886～906 m，走向长度为 1 368～1 380 m，可采走向长度为 1 238 m，倾斜长度为 180 m。2 号煤层为半亮型煤，团块状，最大瓦斯含量为 2.18 m3/t，回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为 4.49 m3/min，煤尘爆炸鉴定结论为具有爆炸性，爆炸系数为 30.21%，自燃倾向性等级为Ⅱ类，自燃倾向性性质为自燃。辅助运输巷道高度为 3.6 m，宽度为 5.2 m。煤层总厚度为 2.2～3.0 m，平均厚度为 2.4 m，煤层倾角为 1°～5°，平均倾角为 3°，属简单结构煤层，煤层中普遍含有 1～3层夹石，夹石岩性为灰黑色砂质泥岩，煤层顶底板特征如表 1 所列。

2 临时支护方式及支护范围分析

采用双向聚能爆破预裂技术[4]+恒阻大变形锚索技术[5]，实现预裂的同时又可以保护巷道顶板的完整性，达到切顶成巷无煤柱开采的目的。工作面超前段会受到超前压力的影响，需要进行超前临时支护；随着开采推进，顶板垮落，从垮落到稳定需要一定的时间，距工作面较近的架后区域需要进行顶板临时支护以及挡矸支护；当巷道距工作面较远时，顶板运动趋于稳定，临时支护可以取消，只需要挡矸支护。

根据现场监测数据分析，将切顶成巷无煤柱开采工作面辅助运输巷道划分为 3 个区域(见图 1)：超前临时支护区(工作面前方 60 m)、端头与架后成巷临时支护区(架后 0～200 m)和成巷稳定区(架后 200 m 之后)。不同分区根据需要采取不同的支护措施。

3 临时支护强度分析

3.1 超前临时支护强度分析

8201 工作面回采巷道沿底掘进，受回采过程中顶煤冒放的影响，巷道顶板煤层裂隙发育，可将巷道顶板煤岩体视为散体介质。根据自然平衡拱理论，深部巷道顶部围岩应力为平衡拱内覆岩重力。基于此，建立相应力学模型(见图 2)，同时在分析过程中考虑工作面采动的影响。

图2 巷道围岩力学模型Fig.2 Mechanical model of surrounding rocks in roadway

二次采动期间，8201 工作面辅助运输巷道上覆岩层形成自然平衡拱最大跨度

式中：a为巷道宽度的一半，取a=2.6 m；h为巷道高度，取h=3.6 m；φ为煤体内摩擦角，取φ=28°。巷道围岩应力

表1 8201 工作面顶、底板岩层情况Tab.1 Stratum state of roof and floor of work face 8201

式中：K1为一次采动残余影响系数，取K1=1.6；K2为二次采动成巷期间不同阶段影响系数，超前支护时段取 1.8，成巷段取 2.0；γ为上覆岩层覆岩容重，取γ=25 kN/m3；f为掘进影响后煤岩体普氏硬度系数，取f=1.7。

计算得P=201.72 kPa。因此，超前支护强度不小于0.202 MPa。

会计信息主要是对企业经营过程中的价值运动所产生的数据进行处理，按规定的会计制度、法规等来加工这些数据，将这些数据加工成有价值的财务信息以及其他经济信息。[1]在社会经济有效运行过程中，会计信息是非常重要的基础，社会经济的有效运行要求会计信息要符合社会经济所反映的客观事实。同时在会计集中核算机制中采用三分离一公开的制度，从某种程度上提高会计信息的真实性，同时也促使信息的品质得以提高。在会计核算机制中，由于核算的步骤在逐渐缩减，因此这就会促使工作速度不断提高。

3.2 端头与成巷区域支护强度分析

8201 工作面辅助运输巷道和支护体上方一定范围内分离岩块的重力构成了端头支护载荷。端头支护处于未采动煤体的高压力区和冒落矸石之间，是一个降压区。岩块一边的采空区提供了一个主要自由面。因岩体呈层状，可能在一定高度上产生离层，导致岩块沿煤壁以α角断裂，进入完全自由状态，成为端头支护的载荷。沿空留巷端头支护强度计算模型如图 3所示。巷旁支护载荷

式中：H为上覆岩层切落高度，取H=10 m；α为剪切角，根据经验选取α=26°；b为巷旁支护内侧到煤帮的距离，即留巷宽度，取b=5.2 m；θ为煤层倾角，θ=3°。

计算得Q=367.25 kPa。考虑沿空成巷顶板隔离体上覆岩层在运移过程中对隔离体影响，取 1.2 倍安全系数，得到端头与架后成巷区域支护强度为 440.7 kPa。

图3 端头支护力学模型Fig.3 Mechanical model of end support

因此，工作面端头与架后成巷区域支护强度不小于 0.441 MPa。

4 临时支护成套装备布置方式及技术特点

沿空切顶 8201 工作面辅助运输巷道临时支护区域长度约为 260 m，宽度为 5.2 m，根据支护方式以及区域的不同，分为超前支护区及端头与成巷临时支护区，需要进行有效支护，维护巷道顶板的完整性。巷道采用长距离交替循环支护成套装备对超前支护区及端头与成巷临时支护区进行有效临时支护(见图 4)。临时支护支架采用 2 台 WC3Y(B)防爆柴油机无轨胶轮运输车分别在超前支护区与成巷临时支护区进行交替循环运输，保证顶板的稳定性。

图4 临时支护成套装备运输布置Fig.4 Transportation layout of complete set of temporary support equipment

4.1 临时支护支架布置方式

根据计算确定超前支护强度不小于 0.202 MPa，架后成巷区域支护强度不小于 0.441 MPa，选取 ZQL 2400/23.5/40 型巷道临时支护支架对 260 m 辅助运输巷进行加强支护。具体布置方式如下。

(1)超前支护区位于工作面超前采动影响区，需超前加强支护，采用 ZQL2400/23.5/40 型巷道临时支护支架进行超前支护，支护距离为 60 m，架间距为 1.8 m，避开巷道顶板锚杆及锚索支护，共计 33架，支护强度约为 0.254 MPa。

(2)架后成巷临时支护区位于工作面架后影响区，采空区顶板岩石垮落会对巷道顶板产生一定的摩擦作用，巷道受动压影响明显，顶板压力较大。在架后 0～200 m 内，顶板需要临时加强支护，采用ZQL2400/23.5/40 型巷道临时支护支架+U 形钢进行架后挡矸支护，防止在动压作用下碎石帮挤压 U 形钢挡杆向巷内移动，并能对顶板提供较大的支护阻力。临时支护支架间距为 1.0 m，共计 200 架，支护强度约为 0.462 MPa；为防止采空区的矸石蹿入巷道，采用钢筋网与可伸缩 U 形钢进行联合挡矸支护，可伸缩U 形钢排距为 500 mm。

4.2 临时支护成套装备技术特点

(2)无轨胶轮运输车双向前后各有 1 个驾驶室，可以双向操作行驶；运输车上设置专用升降、回转及夹紧机构，确保支架安全运输支护；车载独立乳化液泵站，控制系统采用快速插装自封式，确保整架无液压管路外露，保证操作人员的安全性。

(3)临时支护支架结构简单，支护强度大，通过调节架间距，可满足不同巷道压力变化的要求；支架梁体采用窄型设计，可灵活布置于锚杆与锚索之间，避免破坏锚杆与锚索；支架立柱采用球形铰接设计，满足巷道起伏不平的要求。

5 支护效果分析

为分析沿空切顶成巷开采临时支护区域支护效果，分析超前、架后成巷区域支护强度合理性，建立回采工作面沿空留巷三维数值模型[6]。按照工作面尺寸、巷道尺寸及顶底板条件进行参数赋值，编制有限差分程序；根据巷道支护设计，模拟过程中对回采巷道进行锚杆(索)支护；结合计算结果，模型模拟煤层及部分上位岩层，剩余上覆岩层以均布载荷代替。建立的模型如图 5 所示。

图5 巷道临时支护支架支护模型Fig.5 Model of temporary support in roadway

5.1 超前支护区支护效果分析

(1)沿空巷道在超前支护下垂直应力云图如图 6所示。在支护强度为 0.254 MPa 条件下，围岩应力主要集中于巷道两帮，最大应力约为 11 MPa，巷道顶板上覆岩层在超前支护的作用下出现零应力区，巷道围岩应力分布合理。

图6 沿空巷道在超前支护下垂直应力云图Fig.6 Vertical stress contours of goaf roadway in advance supporting mode

(2)巷道超前支护范围内围岩变形如图 7 所示。在超前支护作用下，巷道顶板最大下沉量为 42 mm，位于巷道顶板中部，两帮最大变形量为 23 mm，巷道整体变形量小。

图7 沿空巷道在超前支护下位移云图Fig.7 Displacement contours of goaf roadway in advance supporting mode

沿空切顶成巷采用 ZLC2400/23.5/40 型巷道临时支护支架进行超前支护，通过数值模拟分析，可知在 0.254 MPa 超前支护强度下，支架可有效承载上覆岩层应力，缓减巷道帮部破坏变形，巷道整体变形量小，超前支护强度合理。

5.2 成巷区域滞后支护效果分析

沿空切顶成巷滞后支护区域内巷道上覆岩层采空区侧向基本顶已切落，巷道围岩由大变形恒阻锚索、普通锚索及锚杆支护体系与 ZLC2400/23.5/40 型巷道临时支护支架共同维护，巷道围岩顶板活动剧烈。根据工作面临时支护支架排距为 1.0 m 条件下对巷道围岩的控制效果进行分析，满足沿空切顶成巷的要求。

(1)成巷区域滞后支护围岩破坏区域分布如图 8所示。沿空切顶巷道围岩破坏区域深度约为 1.3 m，支架-围岩接触区域主要表现为正在发生剪切破坏，破坏深度约为 0.35 m，顶板距巷道 0.2～0.7 m 范围内岩层已经发生剪切破坏，上覆岩层距顶板 0.7～1.3 m范围主要表现为拉升破坏；支架-围岩接触范围以外顶板岩层主要表现为拉伸破坏，破坏高度为 1.3 m，巷道底板及帮部主要表现为剪切破坏，底板破坏深度约为 5.6 m。

图8 成巷区域滞后支护围岩破坏区域分布Fig.8 Distribution of damaged surrounding rock area in formed roadway in behind supporting mode

图9 成巷区域滞后支护巷道围岩变形云图Fig.9 Displacement contours of surrounding rock in formed roadway in behind supporting mode

(2)成巷区域滞后支护巷道围岩变形如图 9 所示。巷道中部及靠近切顶一侧顶板下沉量为 110～150 mm，最大下沉量为 165 mm；靠近实体煤帮下沉量为100～130 mm；巷道帮部变形量集中于 60～90 mm，最大变形量为 125 mm，位于帮部偏下靠近底板区域；巷道底板最大底鼓量为 200 mm，位于巷道底板中部区域。巷道临时支护支架在支护过程中有穿底现象，在实际使用过程中应采取措施硬化巷道底板，增加底板围岩刚度与强度，使底板-支架-顶板具有良好的耦合效果，充分发挥临时支护支架的承载作用，确保沿空切顶巷道支护效果。

5.3 超前支护区超前压力显现规律分析

超前支架用于保护工作面推进期间回风巷安全生产。通过超前支架压力显现，可以观测到煤壁前方支承压力基本规律，为煤矿安全生产提供安全保障。超前支架布置在辅助运输巷道，共 34 个支架，支架间距为 1.8 m。2018 年 11 月 11 日—12 月 18 日期间，对压力表编号为 13～26 号的超前临时支护支架进行监测，超前压力显现规律如图 10 所示。

(1)由图 10(a)～(c)可知，随着工作面的推进，超前支架压力逐步增大，支架压力呈现出缓慢增长至压力显著增加，最后在支承压力峰值位置出现急剧上升的趋势，部分支架在到达最大值后出现小幅度回落。根据现场观测统计，一般在距离工作面 19.5 m时，支架压力会显著上升，表明支承压力在这个区域明显增大。

图10 超前压力显现规律Fig.10 Appearance laws of leading pressure

(2)由图 10(a)～(c)可知，在支架距离工作面由远及近的过程中，初期煤帮侧压力总是大于煤柱侧；当支架离工作面很近时，煤柱侧支架压力突然急速攀升超过煤帮侧支架压力。前期支架离工作面较远时，煤壁前方支承压力主要出现在煤帮侧，而当支架距离工作面很近时，回采空间与辅助运输巷空间结合而成为一个更大的“采空区”，此采空区的一侧就变成了煤柱。支架距离工作面较远时，煤帮成为主要承载体；而当支架距离工作面较近时，煤柱成为了主要承载体，导致煤柱一侧支架压力远远大于煤帮侧。

(3)由图 10(d)可知，整个监测期间煤帮侧支架最大压力为 30～38 MPa，煤柱侧支架最大压力起伏较大，最大压力为 32～48 MPa。煤帮侧平均最大压力为 33.6 MPa，煤柱侧平均最大支架压力为 38.9 MPa，可知煤柱侧支架最大压力大于煤帮侧，超前临时支护支架的支护强度能够满足巷道超前压力的要求。

6 结语

针对现有的沿空留巷支护工艺装备中存在的不足，巷道长距离交替循环支护成套装备可避免破坏锚杆与锚索，实现沿空留巷巷道 260 m 无反复支撑，保证了顶板完整性与稳定性，有效地保证了沿空切顶成巷后巷道的成型效果，减轻了工人的劳动强度，提高了资源回收率。

采用该装备，材料消耗降低了 30%，节省了支护成本；降低了工人的劳动强度，提高了支护效率，搬运支撑用时约为 10 min，比传统的单元支架搬运支撑少用时约 20 min，对新暴露的巷道顶板实现及时有效的支护。专用的无轨胶轮运输车自带独立乳化液泵站，确保及时为单个支架供液，满足长距离巷道快速支护要求。