張存才

(山西焦煤集團西山煤電集團東曲礦綜采準備隊，山西 古交 030200)

引 言

煤礦井下綜采作業(yè)離不開井下支護，支護作業(yè)的效率和穩(wěn)定性直接決定著煤礦井下綜采作業(yè)的效率和綜采作業(yè)安全。傳統(tǒng)井下支護技術(shù)主要依賴于液壓支架、墩柱等共同組成的井下支護結(jié)構(gòu)，確保支護作業(yè)的穩(wěn)定性，但隨著綜采技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的井下支護作業(yè)效率不僅無法適應井下綜采作業(yè)速度的快速發(fā)展，而且支護時留下了大量的煤柱，導致綜采作業(yè)面的煤炭回采率低，給煤礦井下作業(yè)造成了較大的影響[1]。本文針對某礦井下作業(yè)時支護效率低下、回采率低的難題，結(jié)合某礦井下巷道的實際情況，提出了一種自適應載荷巷旁支護技術(shù)，通過實際應用，其表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性，不僅極大地提升了綜采作業(yè)時的支護效率，而且也極大地提升了回采率，顯著提升了綜采作業(yè)的經(jīng)濟性，目前該巷旁支護技術(shù)已經(jīng)在某礦得到了全面的推廣應用。

1 巷旁支護阻力確定

某礦的額定生產(chǎn)能力為1 140萬t/a，其1071工作面處于地質(zhì)斷層結(jié)構(gòu)處，用于驗證自適應載荷巷旁支護技術(shù)的巷道寬度為4 100 mm，高度為3 000 mm，煤層的平均厚度為3 051 mm，綜采作業(yè)面上煤層傾角為17.4°，其工作時巷道圍巖的力學模型如圖1所示。

圖1 巷道圍巖的力學模型

由物體受力平衡時的靜力學模型可知，當圖示沉降塊BC平衡時，其靜力學模型可表示為式(1)、式(2)。

NB-NC-qL=0

(1)

TB=TC

(2)

同理，對沉降塊AB進行相同的靜力學分析，結(jié)合綜采作業(yè)過程中巷道的頂板的移運規(guī)律，最終可計算得出進行巷旁支護時的支護阻力pa，可表示為式(3)[2]。

(3)

式中：M1為巷道基本頂巖層的極限彎矩，N·m；py為巷道頂板作用在煤層上的壓力,MPa；M0為沉降塊A點處的殘余彎矩，N·m；q0巷道直接頂?shù)膯挝婚L度的質(zhì)量,kg；Q為基本頂上層的巖層的單位長度質(zhì)量,kg。

由此根據(jù)某礦井下巷道的實際地質(zhì)情況，求得巷道支護時的支護阻力Pa=2 643.76 kN/m，故在進行巷旁支護作業(yè)時，設置墩柱時需在確保其臨界壓力低于40 MPa時盡量加大間距，以降低巷道內(nèi)的墩柱的數(shù)量。

2 自適應載荷巷旁支護工藝方案

綜合某礦井下巷道內(nèi)的實際地質(zhì)條件，制定的巷旁支護工藝方案主要包括以下幾個方面;

1) 在超前回采工作面上按照每40 m設置一個墩柱，在設置墩柱時需要將墩柱緊靠著槽鋼煤幫的側(cè)壁設置，設置完成后需要將其用鐵絲固定到頂板槽鋼上，防止倒塌。

2) 墩柱設置完成后，需向墩柱內(nèi)灌入灌漿料，灌漿料采用水泥、沙子以及石子，按照質(zhì)量比為1∶2∶2的比例[3]進行設置，確保灌漿料的流動性和凝固時間的有機平衡。

3) 灌漿完成后，需要在原先固定鋼絲網(wǎng)的基礎上繼續(xù)對其進行圍護直到接住底板為止，然后，將設置的鋼絲網(wǎng)固定到墩柱的掛鉤上，使相鄰的網(wǎng)片搭接大于100 mm。在煤幫側(cè)邊依次設置隔離墻，在墩柱的液壓點完成回撤后，將墩柱每隔10組，對采空區(qū)域進行噴漿，噴漿的高度要完全沒過鋼絲網(wǎng)。

在某礦井下設置的巷旁支護現(xiàn)場圖如圖2所示。

圖2 某礦井下設置的巷旁支護現(xiàn)場圖

3 自適應載荷巷旁支護技術(shù)的應用效果

為了對該巷旁支護技術(shù)的實際支護效果進行驗證，選定1071工作面對其進行支護穩(wěn)定性分析，其支護過程中首先選定3個監(jiān)測點對其工作時的巷道頂板的移近量進行研究，其監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

由實際監(jiān)測結(jié)果可知，當采用新的自適應巷旁支護時其工作面上圍巖的變化過程可分為3個部分，在工作面后側(cè)21 m范圍內(nèi)其圍巖的變形速度迅速增加，22 m～50 m范圍內(nèi)圍巖變形速度稍微降低，當超過50 m以后圍巖變形基本穩(wěn)定。由此可知，綜采過程中工作面后側(cè)50 m范圍內(nèi)是井下巷道頂板圍巖最容易發(fā)生下沉的區(qū)域，采用新技術(shù)后其頂板的最大移近量約為400 mm，比之前的551 mm降低了約27.4%，顯著提升了井下支護作業(yè)的穩(wěn)定性。

采用新的支護技術(shù)后墩柱工作時段變形受力情況如圖4所示。

圖3 工作面頂?shù)装宓囊平壳€

圖4 墩柱的壓力及壓縮量變化曲線

由監(jiān)測結(jié)果分析可知，在工作面后側(cè)21 m范圍，圍巖頂板的下沉速度較快，使頂板的變化量增加較快，此時墩柱主要起輔助的支撐作用，能夠有效地避免發(fā)生離層異常，此時主要是墩柱的外殼起支撐作用，墩柱內(nèi)部的灌漿料未受到大的壓力作用，因此壓力增加值較慢。當超過21 m后由于頂板下側(cè)距離增加導致開始壓縮墩柱內(nèi)的灌漿料，使其逐漸的壓實，滿足對頂板下沉的支護作用，此時內(nèi)部的壓力迅速增加并逐漸趨于穩(wěn)定。其最大的壓縮量約為255 mm，最大應力約為26.9 MPa，小于墩柱的臨界壓力(約40 MPa)，完全滿足井下綜采作業(yè)的支護要求，確保了井下支護作業(yè)的安全性。

同時，由于設置時墩柱的距離增加，有效地降低了井下巷道的墩柱數(shù)量，使相同巷道內(nèi)的墩柱數(shù)量降低了約12%，減少了支護作業(yè)的工時，提升了綜采作業(yè)效率和回采率。

4 結(jié)論

本文通過對某礦井下支護作業(yè)缺陷的分析，根據(jù)長期井下工作經(jīng)驗，提出了一種自適應載荷巷旁支護技術(shù)，對其支護原理和應用情況進行了分析，通過井下工作面的實際應用表明：

1) 采用新技術(shù)后其頂板的最大移近量約為400 mm，比之前的551 mm降低了約27.4%，顯著提升了井下支護作業(yè)的穩(wěn)定性。

2) 自適應載荷巷旁支護技術(shù)下最大壓縮量約為255 mm，最大應力約為26.9 MPa，小于墩柱的臨界壓力(約40 MPa)，完全滿足井下綜采作業(yè)的支護要求，確保了井下支護作業(yè)的安全性。

3) 由于設置時墩柱的距離增加，有效地降低了井下巷道的墩柱數(shù)量，使相同巷道內(nèi)的墩柱數(shù)量降低了約12%，減少了支護作業(yè)的工時，提升了綜采作業(yè)效率和回采率。