二分层采空区下掘进支护设计优化应用

2024-02-27田中春

山东煤炭科技 2024年1期

田中春

（山东能源枣矿集团柴里煤矿，山东滕州 277500）

1 概况

1.1 施工巷道概述

柴里煤矿23下607 东运输巷工程量为755 m，该掘进工作面自2021 年5 月上旬开工，于2021 年10 月竣工，形成23下607 东综放工作面生产系统，满足于23下607 东综放工作面的安装、通风、行人、运输、管线敷设的需要。该巷道呈一背斜形态，背斜轴位于巷道东部，轴向25°，西翼倾向NW，倾角8°～16°，平均12°，东翼倾向NE，倾角4°左右。巷道布置在3下煤层中，顶部煤矸厚度不均，具备开展四种支护方式的可行性。巷道施工至顶板上部煤矸厚度达到6 m 及以上时，采用锚网索梯支护；施工至顶板上部煤矸厚度达到4～6 m 时，采用锚网梯索梁和架棚锚网复合支护交替进行；施工至顶板上部煤矸厚度2.5～4 m 时，采用锚网架棚复合支护；施工至顶板上部煤矸厚度小于2.5 m 时，采用架棚支护。

1.2 井下位置及煤（岩）层赋存特征

23下607 东综放工作面走向长573.70～598.56 m，倾向长110.70～149.21 m，呈一单斜构造形态，倾向NW，倾角8°～14°，平均10°。井下位于236 辅助采区的东南部，北为23606 东工作面采空区，南为未开采区，西为23607 工作面采空区，东为未开采区。本面开采二叠系山西组3下煤，煤层赋存稳定，属1/3焦煤，色黑、性脆，似玻璃光泽。经一分层开采3上煤已基本回采完毕，中矸厚0.20～15.00 m，平均厚度5.16 m，为黑色泥岩，较厚部分中、下部衍变为砂质泥岩。3下煤厚1.10～4.50 m，平均厚度3.45 m。

23下607 东运输巷位于二水平236 辅助采区，北为23606 东工作面采空区，南为23下607 东综放工作面未开采区，西部为23607 工作面采空区，东为即将回采工作面。井下标高为-265.0～ -336.0 m。该巷道工作面经一分层开采，剩余3上煤厚0～5.91 m，平均厚度2.6 m；中矸厚0.80～14.80 m，平均厚度4.60 m；3下煤厚2.40～4.60 m，平均厚度3.90 m。

3上煤厚3～5.8 m，平均厚度4.1 m；上分层是综放工作面，采全厚，3上煤开采时间2018 年2 月至8 月；3上煤和3下煤的层间厚度为中矸厚度，中矸厚0.5～14.8 m，平均厚度5.4 m；无人工假顶。

煤层综合柱状图如图1，顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况表

图1 综合柱状图

2 施工工艺优化

为了提高掘进工效，优化支护工艺，降低职工劳动强度，更好地为后期回采创造便利条件，根据23下607 东运输巷顶板上部煤矸厚度情况，分别采取四种支护方式[1-5]。

2.1 锚网支护

施工至顶板上部煤矸厚度达到6 m 及以上时，采用锚网索梯支护，每排打设2 棵Φ17.8 mm×5000 mm 锚索，隔一排打设两棵，不再使用锚梁加强支护。巷道支护长度为238 m。

2.2 锚网支护和架棚支护交替进行

施工至顶板上部煤矸厚度达到4～6 m 时，采用锚网梯索梁和架棚锚网复合支护交替进行，采用锚网梯索梁时，每排打设2 棵Φ17.8 mm×4000 mm锚索配合锚梁加强支护；每隔10 m 进行架棚锚网复合支护，复合支护架棚为一单一对棚支护，棚距850 mm；扶设三架棚后，再恢复锚网梯索梁支护。支护长度为105 m。

2.3 锚网架棚复合支护

施工至顶板上部煤矸厚度2.5～4 m 时，采用锚网架棚复合支护，支护长度为143 m。

2.4 架棚支护

施工至顶板上部煤矸厚度小于2.5 m 时，采用架棚支护，支护长度为269 m。

3 支护设计优化

3.1 巷道断面

1）采用锚网索支护，巷道断面为矩形，巷道掘进荒断面规格为宽×高=4.2 m×3.0 m，S荒=12.6 m2；净断面规格为宽×高=4.0 m×2.8 m，S净=11.2 m2。

2）采用12#工字钢梯形棚支护作为永久支护，巷道支护规格为梁×腿＝3.8 m×3.0 m，掘进荒断面：S荒=14.24 m2，掘进净断面：S净=12.69 m2（锚网架棚复合支护方式和架棚支护方式均采用此断面）。

3.2 支护材料

3.2.1 锚网支护材料及要求

1）锚杆。顶锚杆使用MSGLW-500/18×2400无纵筋左旋螺纹钢高强锚杆，帮锚杆使用MSGLW-500/18×2000 无纵筋左旋螺纹钢高强锚杆。使用150 mm×150 mm×8 mm（Q345B）球形托盘，配套注塑阻尼螺母（QT500-7）及垫圈。

2）格宾网。帮部使用10#铁丝格宾网，规格为：长×宽=3000 mm×1000 mm，顶部钢筋网与帮部格宾网搭接100 mm，帮网与帮网搭接100 mm，网扣扣扣相连。格宾网使用要求：格宾网必须绷紧，沿网长方向松弛度：200 mm 范围内松弛度不超过10 mm。

3）钢筋网。钢筋网使用Φ6.5 mm 冷拔钢丝焊接成网，网格为100 mm×100 mm，钢筋网规格为长×宽=4200 mm×1000 mm。钢筋网与钢筋网之间搭茬半格（50 mm），顶部钢筋网和帮部菱形网之间要搭茬一格。

4）钢筋梯。顶部使用Φ12 mm 圆钢焊接，钢筋梯规格为：长×宽=4000 mm×80 mm；帮部不再使用钢筋梯。

5）锚索。规格为Q1860-Φ17.8 mm×5000 mm和Q1860-Φ17.8 mm×4000 mm 两种，锚索预紧力不小于100 kN（30 MPa）。锚索托盘：高强球形托盘，Q345B ，规格为300 mm×300 mm×12 mm。

6）锚固剂。锚固剂均使用树脂锚固剂，顶锚杆使用1 块MSK2570 树脂锚固剂，帮部锚杆使用1 块K2570 树脂锚固剂，顶部锚索使用2 块MSK2570 树脂锚固剂。顶部锚杆锚固力不小于10T，帮部锚杆锚固力不小于5T，锚杆扭矩力不低于250 N·m。

7）联网铁丝。联网铁丝使用14#铁丝，长度为350～400 mm，网扣扣扣相连，网扣不低于3 圈，并将扎丝挽向煤（岩）壁，防止刮人。

8）工字钢锚梁规格为12#工字钢，长度3600 mm，孔距3200 mm，端孔距端头的距离200 mm。工字钢锚梁托盘规格120 mm×60 mm×10 mm，材质Q345B。

3.2.2 架棚支护材料

1）架棚梁、腿。使用12#工字钢加工焊制，梁×腿=3.8 m×3.0 m。

2）格宾网。选择10#铁丝编制的格宾网进行护顶。顶部使用规格为长×宽=4.2 m×0.9 m的格宾网，帮部使用规格为长×宽=2.8 m×0.9 m 的格宾网。

3）半圆。长1.20 m，宽0.15～0.18 m，厚度0.06～0.08 m。方枇子规格：长× 宽× 厚=1.20 m×0.10 m×0.05 m。

4）撑棍。长880 mm，宽、厚均为50 mm。

5）木鞋。长×宽×厚=0.3 m×0.2 m×0.05 m。

6）枇子捆。使用矿加工的枇子捆，用于填帮装顶。

7）木楔。规格（不低于）高×宽×长=40 mm×（80～100） mm×150 mm。

8）锚杆。使用左旋无纵筋高强锚杆，规格为Φ18 mm，长度为2000 mm，锚杆均使用配套标准螺母紧固。锚杆托盘：规格为长×宽×厚=150 mm×150 mm×8 mm

9）锚固剂。规格为Φ25 mm×700 mm 锚固剂。锚杆锚固剂型号为MSK2570。

3.3 锚网支护技术要求

3.3.1 支护方式

顶板上部煤矸厚度达到6 m 及以上时，采用锚网索梯支护，每排打设2 棵Φ17.8 mm×5000 mm锚索，间排距1800 mm×1800 mm，每隔一排打设一组，一组两棵，不再使用锚梁加强支护。如图2。

图2 锚网索支护（mm）

结合山东科技大学采矿工程研究院、泰安方舟矿业科技有限公司对柴里煤矿开展的煤岩性分析及专项支护设计方案，通过支护验算计算，锚网巷道顶部选用MSGLW-500/18×2400 左旋螺纹钢无纵筋高强锚杆，间排距（900×950） mm±100 mm，配合使用格宾网和钢筋梯护顶；巷道帮部锚杆使用MSGLW-500/18×2000 高强锚杆，间排距为（800×950） mm±100 mm。

3.3.2 临时支护

临时支护采用机载式临时支护装置，采用掘进机液压系统控制，该装置全长2800 mm，全宽3150 mm。正巷机掘临时支护使用机载式前探梁的操作步骤：掘进机切割完两排后，将掘进机退回两排距离，停放在巷道中线上。切割头落地，操纵机载临时支护装置控制阀，使顶梁顺利翻转到切割头前方，将金属网、钢筋梯预先放置在支护装置的顶梁上。再把翻转梁向上拉起，调节顶梁的高低，使之平行于顶板并逐步接近顶板。操纵伸缩油缸，推动顶梁接触顶板加力，操纵支撑油缸形成初撑力。掘进机停电闭锁，临时支护工作完成。

3.3.3 临时支护、永久支护与工作面煤壁的关系

机掘施工临时支护紧跟工作面煤壁，每施工一个循环进度，进行一次临时支护，然后进行一次永久支护。循环进度1800 mm，切割后的最大控顶距2200 mm，永久支护后最大空顶距为400 mm。每班切割两排后，由外向里对顶板进行锚网支护。当顶板破碎、折帮严重或遇到特殊地质条件下，切割循环进度800 mm，最大控顶距1200 mm，并及时打设帮锚。生产班组每次切割后，首先用长柄工具进行敲帮问顶，人员站在临时支护下由后向前对顶板进行锚网支护。对顶板锚网支护后再打设两帮上部两棵锚杆，两帮下部的两棵锚杆在出炭后集中打设。每个生产班组完工后，要确保帮部下部2 棵锚杆滞后迎头不超过6 m。

3.4 锚网支护和架棚支护交替进行技术要求

3.4.1 支护方式

施工至顶板上部煤矸厚度达到4～6 m 时，采用锚网梯索梁和架棚锚网复合支护交替进行，采用锚网梯索梁时，每排打设2 棵Φ17.8 mm×4000 mm锚索配合锚梁加强支护；每隔10 m 进行架棚锚网复合支护，复合支护架棚为一单一对棚支护，棚距850 mm；扶设三架棚后，再恢复锚网梯索梁支护。如图3。

图3 锚网梯索梁支护（mm）

3.4.2 临时支护

锚网支护临时支护同支护方式3.3.2。

架棚巷道临时支护采用2 根12#工字钢制作的前探梁，间距（2200±200） mm。前探梁长4.0 m，每根前探梁3 个固定点，固定点使用吊环和棚梁连接。螺旋式吊环采用Φ20 mm 螺纹钢制作，棚梁与前探梁之间用方木和木楔刹紧，居中均匀布置。

3.5 锚网架棚复合支护技术要求

3.5.1 支护方式

采取先锚网后套棚的支护方式，套棚紧跟迎头。架棚支护为一单一对支护。施工棚距为（850±50 ）mm。棚腿扎角为14°±1°。锚网支护顶部使用Φ18 mm×2400 mm 高强锚杆，顶部5 棵锚杆，均匀布置在顶部半圆档内。帮部使用Φ18 mm×2100 mm 高强锚杆，帮部锚杆的间排距为（700×850） mm±100 mm，每帮3 棵锚杆。如图4。

图4 锚网架棚复合支护（mm）

3.5.2 临时支护

架棚施工期间采用2 根12#工字钢制作的前探梁进行临时支护，间距（2200±200） mm。前探梁长4.0 m，每根前探梁3 个固定点，固定点使用吊环和棚梁连接，吊环采用Φ20 mm 螺纹钢加工制作的螺旋式吊环，棚梁与前探梁之间用方木和木楔刹紧。若迎头煤壁前折，前探梁必须窜至煤壁，并用半圆或枇子进行临时前探支护。

3.5.3 临时支护、永久支护与工作面煤壁的关系

综掘机切割掘进每循环进度为850 mm，巷道支护紧跟迎头，每施工一个循环，进行一次临时支护，最大控顶距1250 mm，最小控顶距400 mm。

3.5.4 永久支护设计

1）架棚支护为一单一对支护。施工棚距为（850±50） mm。棚腿扎角为14°±1°。

2）锚网支护顶部使用Φ18 mm×2400 mm 无纵筋左旋螺纹钢高强锚杆，顶部5 棵锚杆，均匀布置在顶部半圆档内。帮部使用Φ18 mm×2100 mm无纵筋左旋螺纹钢高强锚杆，帮部锚杆间排距为（700×850） mm±100 mm，每帮3 棵锚杆。

3.6 架棚支护技术要求

3.6.1 支护方式

永久支护采用12#工字钢架棚支护，支护规格为梁×腿=3.8 m×3.0 m，对棚支护，支护棚距为850 mm。顶部7 块半圆，帮部4 块方枇子腰帮背顶。顶部使用一片格宾网护顶，两帮各使用一片格宾网护帮。如图5。

图5 架棚支护（mm）

3.6.2 支护质量要求

1）扶设支架应严格按中线施工，有腰线的区段必须严格按腰线施工，中线误差必须在合格误差范围内，腰线允许误差（-30～+50 mm）。

2）严格跟设计施工层位施工，棚高低要前后照应，不得忽高忽低。

3）倾斜巷道迎山角必须符合要求：倾斜巷道每增加5°～8°支架迎山角增加1°。

4）支架梁要水平，不得出现淋肩现象，梁水平度偏差不得大于40 mm。

5）支架垂直于巷中线，支架梁扭矩必须在合格范围内，偏差不得大于50 mm。

6）柱窝：棚腿要栽在实底上，柱窝超深或松软时必须先挖至实底后再穿木鞋，柱窝深度不得小于设计值。

7）梁腿接口要严，不得离合错位，接口处不得出现梁滚肩、不跟刻、压偏、腿偏转等现象。

8）立柱斜度要前后照应，偏差不大于1°。

3.6.3 腰帮背顶

1）格宾网。使用格宾网背顶腰帮时，要将顶部瞒严，每棚帮部格宾网与顶部格宾网之间的搭茬以及前后棚格宾网之间的搭茬必须严密，格宾网要铺设平整，铺设要与相邻的棚梁保持平行，方向一致，不得调斜。当顶部有空余部分，必须用枇子捆或旧料在网上面填实装牢，严禁空顶。当顶板破碎时，使用格宾网背顶时，必须用14#铁丝联网，网扣间距为200 mm，网扣不少于3 圈，前后棚顶网与顶网之间的搭茬为0～100 mm。

2）背板。顶、帮背板分布要均匀，背板顺巷道方向与梁腿垂直，背板要确保隔棚成线，前后棚相邻两块背板搭茬接头要严密紧贴，不留空隙，背板两端头要超过两侧梁腿的外缘，并且必须接实顶帮，腰紧背牢，不得松动，接不实的背板一律用木楔打紧塞牢，防止漏网、坠网。

3）木楔。木楔中心与半圆中心线一致，打紧打牢，严禁加重楔。

4）撑木。每棚6 棵撑木，棚梁上打在距梁腿接口以里300 mm 的位置，棚腿上部打在梁腿接口下300 mm 的位置，下部打在距底板400 mm 的位置，撑木拉线打设牢固平直，且两端不准加垫。

4 施工方法

4.1 凿（煤）岩方式

1）23下607 东运输巷采用EBZ-230 型掘进机破煤掘进，通过掘进机运至机后的输送机实现连续化运输。施工硐室采用钻眼爆破法进行施工。

2）打眼机具。使用ZQS-60/1.9S 型手持式气动钻机打眼，采用气动钻机配备的供水钎子湿式打眼，钻头使用Φ42 mm 的双翼钻头，气动式钻机的风源由敷设的压风管路供风。

3）降尘方法。湿式打眼、爆破使用水炮泥，爆破前后对爆破地点20 m 范围内洒水降尘，爆破或切割后冲刷巷帮，掘进机使用喷雾装置和除尘风机，各转载点使用喷雾装置，爆破或切割时后路使用两道除尘喷雾降尘，爆破时使用远程喷雾，爆破后洒水降尘。

4.2 作业方式

1）该掘进工作面采用“三八制”作业方式组织生产，即两个生产班、一个检修班。

2）生产班主要负责：施工前的材料准备、工作面切割和工作面支护、跟机清理卫生。

3）检修班负责：掘进机的日常维护、保养、故障处理及后路机械电气设备的安装维护、维修，跟机设备的延接、维护、维修。

4）后路轨道铺设及安全设施的安装、维护由检修班负责，可与生产班平行作业，同时进行巷道卫生清理和后路支架加固维护及巷道质量整改。

4.3 人员配置

1）生产班设副区长1 人，班长1 人，综机设备操作及维护2 人，支护操作及综合职能5 人，合计9 人。各工种必须持证上岗。

2）后路运输设备操作人员列为辅助工，不作为班组直接工进行班组定岗限员考核。随着生产进度，随时配备运输辅助工。

4.4 劳动组织管理

1）值班人员点名后，根据井下实际生产情况布置当天的工作量及安全注意事项，做好人员安排及安全责任人的安排。

2）工区跟班副区长班前会总结前一天生产过程中存在的安全隐患及工程质量问题，安排现场隐患排查防范措施及当班各岗位安全、质量注意事项。

3）班长根据当班出勤人员，分配任务具体到人。

4）班前会结束后，列队下井。

5）接班后由跟班副区长组织当班质量验收员、安全班长，由外向里检查施工地点安全状况，对存在的安全隐患组织人员进行整改。确保安全后，由安监员挂上开工牌后，方可组织生产。

6）当班工作完成后，由跟班副区长、质量验收员、班长对当班的工程质量进行联合验收，对不合格的项目组织人员进行整改。班长及以上管理人员进行现场交接，其余人员退出施工巷道后，下班接班人员方可进入施工迎头。管理人员交接班后，施工人员方可进入施工。

7）交接班结束后，由跟班副区长组织召开班后会，总结当班的安全生产状况、存在的不足。

5 实践效果

根据23下607 东运输地质状况，中矸厚度不同，采用4 种支护方式，通过后期巷道的压力显现观测看，这种支护设计既保证了巷道支护强度，又加快了施工进度，节约了施工成本。巷道采用4 种支护方式比单纯使用架棚支护节约材料成本及人工资金300 多万元，降低了采掘劳动强度，平均减少了3道工序，提高了施工效率，为采煤工序提供了便利性。经验证，这种应用较科学合理，具有可行性，已进行较大范围的推广。