东曲煤矿巷道顶板超前支护及稳定性研究

2021-10-22魏生喜

煤矿现代化 2021年5期

魏生喜

（山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿，山西太原030200）

0 引言

焦煤集团东曲煤矿位于大同煤田东中部的边界，井田面积约11.75 km2，煤炭存储量约10 199万t[1]。井田开拓采用立井单水平方式，主要开采的是4号煤层，由于井下开采的力度不断加大，开采的越深矿井的地质条件就越差，在开采过程中，经常会出现冒顶等事故，影响煤矿井下的安全开采。

1 地质概况

东曲煤矿主要开采4号煤层，煤层平均厚度为9.33 m，煤层倾角较小，一般在5°左右，煤层比较稳定，埋深约300～500 m，含有1～3层矸石，岩性多是砂质泥岩和碳质泥岩。根据4号煤层的煤质特点，采煤时采用综采放顶煤的方法[2]，本文研究分析开采过程中巷道围岩的变形原因，并提出新方案以提高巷道的稳定性和安全性，降低危险系数。

2 巷道稳定性分析

现阶段，4号煤层的回采巷道支护采用的是锚网索和梯子梁的方式进行支护[3]，其中，锚杆直径20 mm，长度2 400 mm，采用螺纹钢对端头进行锚固，金属网采用25 mm×25 mm的网孔进行铺设，锚索直径17.8 mm，长度6 300 mm；采用的是钢绞线，断面间留有2.4 m的排距；金属托盘采用300 mm×300 mm×16 mm的规格，梯子梁采用的直径10 mm的圆钢，具体的支护参数见表1。

表1 巷道围岩支护参数

在井下开采过程中，上覆煤层开采后，会出现岩层垮落，因此下覆煤层的煤顶板主要是上覆岩层和采空区岩石，而采空区岩石的稳定性比较差，会直接影响下覆煤层巷道顶板的稳定性，通常岩层的稳定性与岩层间厚度有关。对于4号煤层，与上覆煤层的层间距厚度大于2 m，是中砂岩和细砂岩交互岩层，现采用的锚网索和梯子梁支护方法，经现场的实际应用，表明支护效果差，巷道围岩出现严重变形，顶板的下沉量最大为944 mm，而且巷道的二次维护成本高、难度大，因此，需要对巷道的原有支护方式进行优化设计，提高巷道的稳定性。

3 巷道超前支护优化方案

为了提高巷道的稳定性，降低巷道维护成本，在开采过程中，对工作面的运输巷和回风巷采用单体支柱和“π”型梁相结合的超前支护方式，在距离开采工作面30～50 m处进行超前支护。

由于工作面运输巷受采动影响比较大，巷道围岩的塑性区发育的范围比较广，因而对运输巷的端头采用两对“π”型梁来支护[4]，采用“一梁四柱”的错梁布置方式，一对“π”型梁包括8根单体支柱和2根“π”型钢梁，梁头之间错开600 mm的距离，迈步距离1 200 mm，每对梁的中梁与梁的中心相距300 mm，外侧单梁与支架的距离是300 mm。对远离工作面一侧的巷帮采用一对“π”型梁支护，每个单梁的中梁外侧与支架间隔300 mm，在每个梁的中梁后布置切顶支柱，与工作面支架的切顶线平行。

对回风巷的端头采用3对“π”型梁进行支护，采用“一梁三柱”的错梁布置方式，1对“π”型梁包括6根单体支柱和2根“π”型钢梁，梁头之间错开600 mm，迈步距离1 200 mm，每对梁的中梁与梁的中心相距300 mm，外侧单梁与支架间距300 mm。对空顶区域采用单体和木架棚的方式进行支护，以维护巷道的稳定性。具体超前支护结构如图2所示。

图2 超前支护结构示意图

4 效果验证

采用优化的巷道支护方案后，在4号煤层工作面巷道开始实施，对掘进过程中巷道围岩的变形量进行监测，主要是监测巷道顶板和两帮移近量，监测距离是50 m，具体的监测结果如图3所示。

从图3可以看出，在使用优化巷道支护方案后，巷道顶板的下沉量和两帮的移近量都比之前有明显的降低，巷道顶板的下沉量最大为142 mm，巷道围岩的变形主要集中在掘进25 m的范围内，巷道两帮的移近量最大为151 mm，巷道围岩的变形主要集中在掘进15 m的范围内。通过比较，可以看出，顶板的下沉量和两帮的移近量在离煤壁越远时，变形量越小，相反，离煤壁越近时，变形量越大，且巷道围岩的变形主要集中在巷道顶板上，巷道两帮的变形量相