红庆河煤矿深部大采高动压巷道超前支护*

2020-06-02郑立永王国龙常云博

陕西煤炭 2020年3期

郑立永，王国龙，常云博

(北京天地华泰矿业管理股份有限公司，北京 100013)

0 引言

红庆河煤矿位于国家大型煤炭基地—神东煤炭基地内的东胜煤田新街矿区，设计产能1 500万t/a，采用立井开拓方式。井田内煤层埋藏较深，可采煤层较厚，同时直接顶厚而较硬，工作面在回采过程中，矿压显现剧烈，特别是相邻接续工作面，受到二次动压影响，顶板下沉、底板鼓起、煤壁片帮、锚杆锚索崩断等动压显现情况频繁发生，甚至出现冒漏顶现象，巷道维护困难，严重影响生产接续及矿井安全，成为红庆河煤矿安全高效开采的重要制约因素，亟需确定相适应的采场矿压管理手段以及动压影响下巷道超前支护技术，为现场提供有力的管理和技术指导。目前已有的研究多集中在对于深井厚煤层顶板结构的研究上[1-5]，并取得了一定的研究成果，而对于深部矿井厚煤层工作面开采过程中动压影响下超前支护方式的选择的相关研究较少[6-8]，同时神府东胜煤田埋深超过600 m的矿井多处于新开发阶段，该类型矿井地压、巷道变形以及巷道支护尚无借鉴经验，有待进一步研究。

针对红庆河煤矿存在相邻工作面采动影响下(即二次动压影响下)，现有超前支护易发生底鼓和片帮，工作面受二次动压影响的巷道维护困难，人员安全受到威胁的问题。为此，以红庆河煤矿3-1103工作面辅运顺槽超前支护区域为研究对象，结合实际生产技术条件和地质条件，分析3-1103工作面辅运顺槽超前支护区域围岩变形影响因素及围岩破坏特征，同时对比优化前后超前支护区域巷道破坏情况以及支护参数，确定适用于红庆河煤矿动压巷道超前支护的有效方式，进而为其他类似条件下的深井大采高千万吨级的矿井回采工作面的动压巷道超前支护提供相关的借鉴作用，同时也为东胜煤田范围内的类似煤层开采提供重要的参考依据。

1 工作面概况

红庆河煤矿首采3-1煤层，该煤层在井田范围内呈全区发育，煤层结构简单，平均赋存深度为718.60 m，平均厚度6.23 m，采用长壁后退式一次采全高采煤方法。3-1103工作面为3-1煤层一采区第二个工作面，工作面的倾向长度为245.75 m，走向长度为3 544 m，采高6.23 m，3-1103工作面辅运顺槽南翼为已回采结束的3-1101工作面。3-1103工作面顶底板岩层结构简单，以砂岩及泥岩为主。顶底板围岩岩性及厚度分布具体见表1。

2 原支护方式存在的问题

2.1 原支护方式

3-1103工作面辅运输顺槽沿煤层底板掘进，巷道净宽5 800 mm，净高3 900 mm。辅运顺槽采用锚网索联合支护。两帮支护方式为：左旋螺纹钢锚杆+菱形金属网，锚杆间排距为850 mm×1 000 mm，每帮5根。顶板支护方式为：焊接钢筋网+左旋螺纹钢锚杆+锚索。锚杆间排距850 mm×1 000 mm，每排7根锚杆，锚索间排距2 000 mm×1 700 mm，每排2根锚杆，该巷道设计长度3 790 m。

表1 3-1103工作面顶底板围岩特征分布表

2.2 存在的问题

焊点失效导致漏顶事故：原巷道支护方式中采用焊接金属网作为顶板支护的材料，在巷道未受采动影响的条件下，可以满足现场支护的需要[9-11]。但在采动影响下，部分焊点失效时，金属网整体支护强度下降，发生漏顶事故，难以对顶板进行有效的支护，如图1所示。

图1 顶板焊接金属网撕裂现场图

垛架支护范围内巷道变形严重：原超前支护方式为双排ZT11000/22/44垛式支架支护，如图2所示，超前支护长度为50 m。双排垛架的支护方式具有支护面积大、强度高的特点，能在一定程度上有效的控制顶板的变形[12-15]。但由于3-1103辅运顺槽临近3-1101工作面采空区，在3-1103工作面的回采过程中受采动影响，巷道超前垛架支护范围内巷道变形严重，回采前必须清底和刷帮才能进行拉移垛架，极大的增强了工人的劳动强度；同时双排垛架进行超前支护巷道两帮鼓出后，安全通道不能满足要求。

图2 原超前支护方式

3 巷道支护以及超前支护方式的确定

3.1 超前支护合理长度的确定

监测方案及结果：为确定超前支护合理长度，3-1101工作面回采期间，在3-1103(备采)工作面辅运顺槽布置测站。在3-1103辅运顺槽2 800 m和2 300 m设立两处测站，监测备采工作面顺槽顶部、帮部锚杆(索)受力情况，监测结果如图3、4所示。

图3 2 800 m测点顶帮锚杆锚索受力曲线图

图4 2 300 m测点顶帮锚杆锚索受力曲线图

结果分析：①由图3可知，工作面侧锚杆锚索在超前70 m处，受力开始普遍增大，其中一根侧锚索在超前150 m时开始增大；煤柱侧锚索在超前30 m处开始普遍增大，其中一根侧锚索在超前100 m处受力开始增大；顶板锚杆锚索在超前30 m处，受力开始增大；②由图4可知，工作面侧锚杆锚索在超前70 m处，受力开始普遍增大，锚杆锚索受力呈锯齿状波动，由于锁具脱扣导致；煤柱侧锚锚索在超前70 m处开始普遍增大；巷道顶板锚杆索受力较为稳定，其中一根锚索在超前50 m处开始显著增大。

超前支护的合理长度：通过2 300 m和2 800 m监测数据分析和现场实际情况可知，回采过程中超前压力的影响范围在70 m以上。50 m超前支护对动压影响的超前巷道支护效果不理想，故超前支护距离选择不小于70 m，结合现场条件最终确定为100 m。

3.2 超前支护合理方案的确定

针对顶板采用焊接金属网对巷道顶板进行支护易发生漏顶事故的问题，提出两种补强支护方案。

方案一：采用菱形金属网对超前支护范围内的顶板进行补强支护，菱形金属网顶网与顶网搭接不少于50 mm，顶网与帮网搭接不少于500 mm。

方案二：采用菱形金属网对超前支护范围内的顶板进行补强支护，菱形金属网片间搭接不少于100 mm，顶网必须与帮网搭接不少于500 mm，两肩窝处各打一根锚杆，补网后顶板再采用三条“W”纵向钢带加锚索支护的形式进行补强。

图5 方案一补强结果图

方案一补强结果：现场采用方案一进行补强支护后，垛架之间网片间搭接距离不够，仍发生漏顶，同时在垛架与煤壁一侧，支护刚度不够，导致巷道肩窝处漏顶，如图5所示。

方案二补强结果：现场采用方案二进行补强支护后(补强效果如图6所示)，垛架之间以及垛架与煤壁一侧漏顶现象消失。故最终采用方案二对动压巷道进行补强支护。

图6 方案二补强支护实效图

3.3 超前支护方式的优化

支护必要性及方案：采用补强支护后，超前支护区域漏顶现象消失，但仍存在垛架被巷道两帮及顶板挤死，行人困难的情况，需要优化现有的支护方式。单体液压支柱与垛式支架相比，具有支护灵活，占用巷道空间少的优点，采用单体液压支柱后，能够给巷道两帮预留一定的变形空间，同时可以消除左右两垛架之间相互挤压的现象，故在应力最集中的超前20 m范围内，采用双排单体支柱代替原有的一排垛架，进行支护，支护方案如图7所示。

实践结果：现场实践表明，采用双排单体支柱加一排垛架进行超前支护，消除了垛架之间的相互挤压现象，无需清底刷帮后再进行垛架前移，同时双排单体支柱的使用，减少了巷道空间的占用，为行人安全通过机尾创造了良好的条件。结合现场实践，重新确定超前支护范围、更改超前支护方式，有效控制了顶板漏顶，保证了机尾安全出口的畅通，减少了巷道起底和刷帮清理的工程量，取得了很好的安全效果和经济效益。同时，对于正在施工的备采工作面动压巷道，在一次成巷时直接使用双层菱形金属网进行顶板支护，以满足动压巷道超前支护的需求。