回采巷道超前支護(hù)走向布置方案的論證
王瑜 單雄龍
[汾西礦業(yè)集團(tuán) 賀西煤礦，山西 柳林 033300]
摘 要 采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷連接處稱為端頭，是采煤工作面十分重要的頂板控制地段。為了保證該地段的頂板安全，就其超前支護(hù)的走向布置形式進(jìn)行了全面的論證。論證結(jié)果表明，超前支護(hù)采用平行巷道走向布置更優(yōu)于垂直巷道走向布置的超前支護(hù)。
關(guān)鍵詞 超前支護(hù) 平行 垂直 支護(hù) 布置 比較
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1 引 言
隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，礦山壓力對(duì)井下工程的影響也不斷增大，開(kāi)拓巷道、掘進(jìn)巷道、回采巷道都受到不同程度的影響。其中回采工作面的材、運(yùn)兩巷受采空區(qū)的影響特別突出。隨著回采工作面的推進(jìn)，采空區(qū)的壓力也伴隨前移，如圖1所示。
圖1 工作面推進(jìn)時(shí)采空區(qū)壓力曲線
工作面支架和煤壁始終承受來(lái)自采空區(qū)的最大頂板壓力。其中煤壁對(duì)工作面的支撐起著主導(dǎo)作用。工作面煤壁的受力分布圖如圖2所示。
圖2 工作面煤壁的受力分布
由圖2可以看出，工作面的中間部分煤壁承受著最大頂板壓力，壓力由中間向兩側(cè)慢慢降低。雖然緊靠材、運(yùn)兩巷煤壁的頂板壓力相對(duì)較小，但還是對(duì)材、運(yùn)兩巷的超前支護(hù)段巷道造成較大影響，主要表現(xiàn)在頂板下沉、底板鼓起、巷道變形縮小，支護(hù)材料回收、復(fù)用率降低，損耗率上升，成本增加。
一般材巷的超前支護(hù)段采用垂直巷道走向布置超前支護(hù)（以下簡(jiǎn)稱垂直支護(hù)）或平行巷道走向布置超前支護(hù)（以下簡(jiǎn)稱平行支護(hù)）兩種支護(hù)支護(hù)形式，本文就這兩種形式的支護(hù)效果和效益進(jìn)行分析。
2 布置方案
根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，一般情況下，采煤工作面上下兩巷超前支護(hù)形式為鐵梁配合單體液壓支柱配套使用。一梁三柱或四柱，柱距0.8～1.0m，排距1.0～1.2m。布置方式有垂直于巷道走向布置和平行于沿巷道走向布置2種。
假設(shè)巷道寬4m，使用4m的π型梁、3.15m單體液壓支柱，支護(hù)參數(shù)一梁四柱，柱距1m，排距1m進(jìn)行支護(hù)，超前支護(hù)段20m。
（1）平行支護(hù)
π型梁沿巷道平行方向布置，架設(shè)時(shí)第一架梁從保護(hù)煤柱側(cè)與煤幫保持100mm的距離。架設(shè)第二架時(shí)，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，安全出口的寬度必須為1m，所以與第一架保持距離為1m。架設(shè)第三架時(shí)根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》取梁間距為0.75m，第四架依次架設(shè)，第五架與煤壁保持100mm的距離。每架梁架設(shè)5根單體液壓支柱，依次是梁頭、中間梁尾支柱間距1m架設(shè)。平行支護(hù)如圖3所示。
圖3 超前支護(hù)平行于巷道走向布置示意圖
（2）垂直支護(hù)
π型梁垂直巷道布置，架設(shè)時(shí)根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，梁間距取0.86m。第一根支柱與煤壁保持100mm的距離，第二根開(kāi)始依次架設(shè)柱距為1m，第五根與煤壁保持100mm的距離。每架梁架設(shè)5根單體液壓支柱，依次是梁頭、中間、梁尾。垂直支護(hù)如圖4所示。
圖3 超前支護(hù)垂直于巷道走向布置示意圖
3方案比較
3.1 超前支護(hù)對(duì)頂板的初撐力
3.1.1 總初撐力
兩種支護(hù)方式所用的支護(hù)材料數(shù)目相同，對(duì)頂板提供的總初撐力也相同。
3.1.2 從巷道中線到工作面煤壁側(cè)頂板的初撐力
①平行支護(hù)，3架π型梁支護(hù)頂板提供初撐力為429.75MPa/m2，支護(hù)面積8m2，每1m2提供53.72 MPa的初撐力。
②垂直支護(hù)，5架π型梁支護(hù)頂板提供初撐力為358.125MPa/m2，支護(hù)面積8m2，每1m2提供44.77 MPa的初撐力。
由此可見(jiàn)，每1m2平行支護(hù)初撐力是垂直支護(hù)初撐力的1.2倍。
3.1.3 從巷道中線到保護(hù)煤柱側(cè)頂板的初撐力
①平行支護(hù)，3架π型梁支護(hù)頂板提供初撐力286.5MPa/m2，支護(hù)面積8m2，每1m2提供35.81 MPa的初撐力。
②垂直支護(hù)，5架π型梁支護(hù)頂板提供初撐力358.16MPa/m2，支護(hù)面積8m2，同樣每1m2提供初撐力44.77 MPa。
平行巷道走向布置是垂直巷道走向布置的0.8倍。
3.1.4 兩種支護(hù)方式對(duì)頂板的支護(hù)情況
①平行支護(hù)從巷道中線到工作面煤壁側(cè)頂板的初撐力是巷道中線到保護(hù)煤柱側(cè)頂板初撐力的1.5倍。
②垂直支護(hù)初撐力分布均勻。
3.2 頂板壓力對(duì)超前支護(hù)的承壓影響
工作面中間部分的煤壁承受著最大頂板壓力，壓力由中間向兩側(cè)慢慢降低。頂板對(duì)巷道的壓力從工作面?zhèn)鹊奖Ｗo(hù)煤柱側(cè)壓力逐步較小。同理從保護(hù)煤柱側(cè)到工作面?zhèn)软敯逑鲁亮坎粩嘣黾印?/span>
根據(jù)測(cè)試（圖4）表明：隨著回采工作面的推進(jìn)，煤壁上覆巖層受力狀態(tài)發(fā)生著變化。煤層位移開(kāi)始于煤壁前方20m處，隨工作面的接近，其形變量逐漸增大，到8m處較為明顯，距煤壁4m處急劇增加，頂板下沉嚴(yán)重，頂板破碎度增大。
圖4 煤層覆蓋巖石移動(dòng)曲線
平行支護(hù)承受頂板壓力時(shí)靠工作面?zhèn)鹊?/span>π型梁承受的壓力要比靠煤柱側(cè)的π型梁承受的壓力大的多，但是π型梁的支護(hù)方向與巷道走向平行，頂端部與梁中部承受壓力近似相同，π型梁隨著頂板整體下沉。
垂直支護(hù)承受頂板壓力時(shí)靠工作面?zhèn)鹊?/span>π型梁承受的壓力要比靠煤柱側(cè)的π型梁承受的壓力大的多，但是π型梁的支護(hù)方向與巷道走向垂直，煤柱側(cè)梁端部到工作面梁端部π型梁受力遞增，隨著頂板下沉π型梁發(fā)變形甚至斷裂。
3.3 對(duì)支護(hù)材料回收率、復(fù)用率的影響
3.3.1 平行支護(hù)
①由于π型梁平行巷道走向布置，巷道變形不會(huì)對(duì)回收造成影響。
②由于每根梁上的各個(gè)受力點(diǎn)承受壓力近似相同，形變量不大，可以復(fù)用無(wú)需檢修。
3.3.2 垂直支護(hù)
①在回采過(guò)程中頂板壓力越來(lái)越大，巷道圍巖壓力增大巷道發(fā)生變形，巷道寬度慢慢變窄π型梁插入巷道兩幫回收困難，插入兩幫較深時(shí)放棄回收。
②由于每根梁上的各個(gè)受力點(diǎn)承受壓力差異較大變形較大無(wú)法繼續(xù)使用需出井維修，變形嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂。
3.4 對(duì)頂板支護(hù)效果的影響
3.4.1 平行支護(hù)
超前支護(hù)與鋼筋圈梁、w型鋼帶形成“十字”交叉。π型梁最大間距1m，鋼筋圈梁間距0.8m，w型鋼帶間距2.4m未支護(hù)頂板面積不超過(guò)0.8m2，最大跨度1m。
在回采過(guò)程中礦山壓力越來(lái)越大，巷道圍巖壓力增大，巷道發(fā)生變形巷道，高度、寬度變小，超前支護(hù)在循環(huán)過(guò)程π型梁間距會(huì)隨著巷道寬度變小，大大增加了頂板的完整性有利于頂板支護(hù)。
3.4.2 垂直支護(hù)
超前支護(hù)與鋼筋圈梁、w型鋼帶平行布置。π型梁最大間距0.86m，鋼筋圈梁間距0.8m，w型鋼帶間距2.4m未支護(hù)頂板面積不超過(guò)2.24m2，最大跨度4m。
在回采過(guò)程中礦山壓力越來(lái)越大，巷道圍巖壓力增大，巷道發(fā)生變形，巷道高度、寬度變小，超前支護(hù)在循環(huán)過(guò)程中隨著巷道寬度變小，及時(shí)更換相應(yīng)長(zhǎng)度的π型梁2～3次。
3.5 對(duì)超前支護(hù)工藝流程及工效的影響
3.5.1 平行支護(hù)
在回采過(guò)程中，為保證超前支護(hù)20m范圍內(nèi)頂板的穩(wěn)定性，架設(shè)6大組π型梁支護(hù)距離24m，如下圖5所示。
圖5 平行支護(hù)時(shí)護(hù)頂梁布置
從工作面開(kāi)始最靠近工作面的編號(hào)為1#組，依次為2#～6#組，回采過(guò)程中，1#組的π型梁依次向工作面推進(jìn)方向前移，與2#組的π型梁交叉，當(dāng)1#組的π型梁與2#組的π型梁完全交叉在一起時(shí)，2#組變?yōu)?/span>1#組，后面依次變換，1#組支護(hù)材料轉(zhuǎn)移到離工作面最遠(yuǎn)側(cè)，架設(shè)成為6#組循環(huán)進(jìn)行。
π型梁前移時(shí)，先將3～4個(gè)滑輪鉤由π型梁下方向上鉤在在頂板的鐵絲網(wǎng)上，將支柱全部下降后π型梁全部壓在滑輪上，只需將π型梁前移到規(guī)定的步距后重新支護(hù)，空頂出架設(shè)臨時(shí)點(diǎn)柱及完成。平均生產(chǎn)2個(gè)班向外搬運(yùn)一次。
每班2個(gè)端頭工可完成當(dāng)班工作。
頂板壓力較大時(shí)，增加支護(hù)材料較為方便。
2#組支護(hù)范圍內(nèi)的支護(hù)材料對(duì)頂板的初撐力是其它超前支護(hù)的1.1～1.9倍。
3.5.2 垂直支護(hù)
①在回采過(guò)程中，超前支護(hù)布置如下圖6所示。
圖6 垂直支護(hù)時(shí)護(hù)頂梁布置
隨著工作面前移依次拆除支護(hù)材料轉(zhuǎn)移到超前支護(hù)外。
拆除、轉(zhuǎn)向搬運(yùn)π型梁時(shí)，需3個(gè)端頭工配合完成。
頂板壓力較大時(shí)，增加支護(hù)材料較為困難。
4 結(jié) 論
①兩種支護(hù)方式對(duì)頂板的總初撐力相同。
②從巷道中線到工作面煤壁側(cè)頂板的初撐力，平行支護(hù)是垂直支護(hù)的1.2倍?？棵罕趥?cè)壓力增加對(duì)頂板的支撐力也相應(yīng)增大。
③從巷道中線到保護(hù)煤柱側(cè)頂板的初撐力，平行支護(hù)是垂直支護(hù)的0.8倍?？勘Ｗo(hù)煤柱側(cè)壓力減小對(duì)頂板的支撐力也相應(yīng)減小，對(duì)巷道頂板整體影響較小。
④平行支護(hù)對(duì)支護(hù)頂板受力分布更加合理。
⑤平行支護(hù)對(duì)支護(hù)材料的回收和復(fù)用率較高。
⑥平行支護(hù)與鋼筋圈梁、w型鋼帶形成“十字”交叉，未支護(hù)頂板面積不超過(guò)0.8m2，最大跨度1m；垂直支護(hù)未支護(hù)頂板面積不超過(guò)2.24m2，最大跨度4m。
⑦超前支護(hù)在循環(huán)過(guò)程中隨著巷道寬度變小及時(shí)更換相應(yīng)長(zhǎng)度的π型梁2～3次增加了工序和人工。
⑧平行支護(hù)2#組支護(hù)范圍內(nèi)的支護(hù)材料對(duì)頂板的初撐力是垂直支護(hù)的1.1～1.9倍。
⑨工藝及工效方面平行巷道走向布置更加合理。
通過(guò)以上論證，材巷的超前支護(hù)采用平行支護(hù)布置優(yōu)于垂直支護(hù)布置。
參考文獻(xiàn)
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第一作者簡(jiǎn)介 王瑜（1984-），男，漢族?，F(xiàn)任汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦生產(chǎn)科副科長(zhǎng)。
（收稿日期：2019年04月27日；責(zé)任編輯：黃 翔）
