回采巷道超前支護走向布置方案的論證
王瑜 單雄龍
[汾西礦業(yè)集團 賀西煤礦，山西 柳林 033300]
摘 要 采煤工作面進風(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，就其超前支護的走向布置形式進行了全面的論證。論證結(jié)果表明，超前支護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。
關(guān)鍵詞 超前支護 平行 垂直 支護 布置 比較
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1 引 言
隨著煤礦開采深度的增加，礦山壓力對井下工程的影響也不斷增大，開拓巷道、掘進巷道、回采巷道都受到不同程度的影響。其中回采工作面的材、運兩巷受采空區(qū)的影響特別突出。隨著回采工作面的推進，采空區(qū)的壓力也伴隨前移，如圖1所示。
圖1 工作面推進時采空區(qū)壓力曲線
工作面支架和煤壁始終承受來自采空區(qū)的最大頂板壓力。其中煤壁對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、運兩巷煤壁的頂板壓力相對較小，但還是對材、運兩巷的超前支護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段采用垂直巷道走向布置超前支護（以下簡稱垂直支護）或平行巷道走向布置超前支護（以下簡稱平行支護）兩種支護支護形式，本文就這兩種形式的支護效果和效益進行分析。
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，支護參數(shù)一梁四柱，柱距1m，排距1m進行支護，超前支護段20m。
（1）平行支護
π型梁沿巷道平行方向布置，架設(shè)時第一架梁從保護煤柱側(cè)與煤幫保持100mm的距離。架設(shè)第二架時，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)。平行支護如圖3所示。
圖3 超前支護平行于巷道走向布置示意圖
（2）垂直支護
π型梁垂直巷道布置，架設(shè)時根據(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。垂直支護如圖4所示。
圖3 超前支護垂直于巷道走向布置示意圖
3方案比較
3.1 超前支護對頂板的初撐力
3.1.1 總初撐力
兩種支護方式所用的支護材料數(shù)目相同，對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，3架π型梁支護頂板提供初撐力為429.75MPa/m2，支護面積8m2，每1m2提供53.72 MPa的初撐力。
②垂直支護，5架π型梁支護頂板提供初撐力為358.125MPa/m2，支護面積8m2，每1m2提供44.77 MPa的初撐力。
由此可見，每1m2平行支護初撐力是垂直支護初撐力的1.2倍。
3.1.3 從巷道中線到保護煤柱側(cè)頂板的初撐力
①平行支護，3架π型梁支護頂板提供初撐力286.5MPa/m2，支護面積8m2，每1m2提供35.81 MPa的初撐力。
②垂直支護，5架π型梁支護頂板提供初撐力358.16MPa/m2，支護面積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 兩種支護方式對頂板的支護情況
①平行支護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煤柱側(cè)頂板初撐力的1.5倍。
②垂直支護初撐力分布均勻。
3.2 頂板壓力對超前支護的承壓影響
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。頂板對巷道的壓力從工作面?zhèn)鹊奖Ｗo煤柱側(cè)壓力逐步較小。同理從保護煤柱側(cè)到工作面?zhèn)软敯逑鲁亮坎粩嘣黾印?/span>
根據(jù)測試（圖4）表明：隨著回采工作面的推進，煤壁上覆巖層受力狀態(tài)發(fā)生著變化。煤層位移開始于煤壁前方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 煤層覆蓋巖石移動曲線
平行支護承受頂板壓力時靠工作面?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。
垂直支護承受頂板壓力時靠工作面?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 對支護材料回收率、復(fù)用率的影響
3.3.1 平行支護
①由于π型梁平行巷道走向布置，巷道變形不會對回收造成影響。
②由于每根梁上的各個受力點承受壓力近似相同，形變量不大，可以復(fù)用無需檢修。
3.3.2 垂直支護
①在回采過程中頂板壓力越來越大，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，插入兩幫較深時放棄回收。
②由于每根梁上的各個受力點承受壓力差異較大變形較大無法繼續(xù)使用需出井維修，變形嚴(yán)重時會發(fā)生斷裂。
3.4 對頂板支護效果的影響
3.4.1 平行支護
超前支護與鋼筋圈梁、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未支護頂板面積不超過0.8m2，最大跨度1m。
在回采過程中礦山壓力越來越大，巷道圍巖壓力增大，巷道發(fā)生變形巷道，高度、寬度變小，超前支護在循環(huán)過程π型梁間距會隨著巷道寬度變小，大大增加了頂板的完整性有利于頂板支護。
3.4.2 垂直支護
超前支護與鋼筋圈梁、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未支護頂板面積不超過2.24m2，最大跨度4m。
在回采過程中礦山壓力越來越大，巷道圍巖壓力增大，巷道發(fā)生變形，巷道高度、寬度變小，超前支護在循環(huán)過程中隨著巷道寬度變小，及時更換相應(yīng)長度的π型梁2～3次。
3.5 對超前支護工藝流程及工效的影響
3.5.1 平行支護
在回采過程中，為保證超前支護20m范圍內(nèi)頂板的穩(wěn)定性，架設(shè)6大組π型梁支護距離24m，如下圖5所示。
圖5 平行支護時護頂梁布置
從工作面開始最靠近工作面的編號為1#組，依次為2#～6#組，回采過程中，1#組的π型梁依次向工作面推進方向前移，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，2#組變?yōu)?/span>1#組，后面依次變換，1#組支護材料轉(zhuǎn)移到離工作面最遠(yuǎn)側(cè)，架設(shè)成為6#組循環(huán)進行。
π型梁前移時，先將3～4個滑輪鉤由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，空頂出架設(shè)臨時點柱及完成。平均生產(chǎn)2個班向外搬運一次。
每班2個端頭工可完成當(dāng)班工作。
頂板壓力較大時，增加支護材料較為方便。
2#組支護范圍內(nèi)的支護材料對頂板的初撐力是其它超前支護的1.1～1.9倍。
3.5.2 垂直支護
①在回采過程中，超前支護布置如下圖6所示。
圖6 垂直支護時護頂梁布置
隨著工作面前移依次拆除支護材料轉(zhuǎn)移到超前支護外。
拆除、轉(zhuǎn)向搬運π型梁時，需3個端頭工配合完成。
頂板壓力較大時，增加支護材料較為困難。
4 結(jié) 論
①兩種支護方式對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，平行支護是垂直支護的1.2倍?？棵罕趥?cè)壓力增加對頂板的支撐力也相應(yīng)增大。
③從巷道中線到保護煤柱側(cè)頂板的初撐力，平行支護是垂直支護的0.8倍?？勘Ｗo煤柱側(cè)壓力減小對頂板的支撐力也相應(yīng)減小，對巷道頂板整體影響較小。
④平行支護對支護頂板受力分布更加合理。
⑤平行支護對支護材料的回收和復(fù)用率較高。
⑥平行支護與鋼筋圈梁、w型鋼帶形成“十字”交叉，未支護頂板面積不超過0.8m2，最大跨度1m；垂直支護未支護頂板面積不超過2.24m2，最大跨度4m。
⑦超前支護在循環(huán)過程中隨著巷道寬度變小及時更換相應(yīng)長度的π型梁2～3次增加了工序和人工。
⑧平行支護2#組支護范圍內(nèi)的支護材料對頂板的初撐力是垂直支護的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。
通過以上論證，材巷的超前支護采用平行支護布置優(yōu)于垂直支護布置。
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第一作者簡介 王瑜（1984-），男，漢族。現(xiàn)任汾西礦業(yè)集團賀西煤礦生產(chǎn)科副科長。
（收稿日期：2019年04月27日；責(zé)任編輯：黃 翔）
