深部高应力沿空巷道超前支护方案研究

刘金绪

8521工作面位于山东省微山县境内，地表为山东省微山县昭阳湖区，在井下北以袁堂断层防水煤柱线为界，南以新东三2#皮带下山为界，东与8519工作面采空区为邻，西部为f298断层以及7533工作面采空区，上覆为7519、7521采空区。8521工作面对应地面标高＋31.84～+33.13m,工作面标高为-460.96～-645.3m。工作面走向水平长度为1253.7～1265.0m，平均1259.4m,倾向长度为196.6m，8#煤厚度为1.8～5.9m，平均厚度4.0m，所采煤层为8#煤，采用走向长壁式综采放顶煤采煤方法，综放工艺，煤层结构简单，局部有夹矸，夹矸厚度为0.6～3.1m左右。煤层倾角为1°～15°，平均倾角8°。煤厚平均4.0m，工作面揭露断层61条，以北东向与北西向断层为主，其中正断层56条，逆断层5条。工作面北部构造相对简单，南部构造相对复杂，工作面局部破8#煤。工作面121～125#架之间存在一个7519溜子道与7521材料道煤柱。工作面采高2.5±0.1m，选用ZF6200/16/28型放顶煤液压支架128台，ZFG7200/18.5/32过渡支架8台，下出口使用ZT6960/22/40端头支架1台，采用MG500/1130-WD型采煤机，SGZ-800/1050型刮板输送机2部、SZZ1000/400型转载机1部、PCM100型破碎机1台、2PLF100/200型仓口破碎机1台，溜子道使用1部DSJ100/80/2×315型皮带输送机2部，两道超前运料使用DQ50/0.5(A)型启动单轨吊运输。溜子道采用单体作为超前支护，材料道采用ZQ4000/20/38型单元式超前支架作为超前支护。材料道为沿空送巷，巷道压力较大，变形严重，支护较为困难。

第二节   工作面平面图

图1  8521工作面平面图

第二章   巷道支护

第一节  巷道支护断面

1、材料道采用锚架联合支护，架棚棚距800mm，巷道上部宽4.1m，下部宽5.4m，净高3.0m，断面积14.25m²。

2、溜子道采用锚架联合支护，架棚棚距800mm，巷道上部宽4.1m，下部宽5.4米，净高3.0m，断面积14.25m²。

第二节  材料道超前支架选型计算

1、8715材料道超前支架选型计算

8715材料道超前120m范围沿巷道中布置一排ZQ4000/20/38单元支架加强支护，顶板净宽4.1米，单元支架顶梁长1.96㎜，宽0.94m，沿走向顶梁间距1.6m，单元支架立柱直径为300㎜。

（1）按材料道受采动影响时巷道周边顶板载荷集度确定支架的支护强度

qd=n·（R－h）·γ=2×（3.98－1.5）×2.4

=11.904t/㎡

式中：qd—顶板载荷集度，t/㎡；

R—采动影响时巷道周边极限平衡区半径，取3.98m；

γ—极限平衡区煤岩体的容重，取γ=2.4t/m³；

n—荷载备用系数，取2；

h—巷道净高的一半，取1.5m。

P＝qd·g=11.904×104 KPa≈0.12MPa

式中：P—支架的支护强度，MPa；

g—重力系数，取10N/kg；

（2）支架的工作阻力

Q= n·P·S =1.2×0.12×10³×14.6=2102.4KN

式中：Q—工作阻力，KN；

n—安全系数，取1.2；

P—支护强度，取0.11MPa；

S—单台支架支护面积，S＝4.1×3.56≈14.6㎡。

结论：材料道ZQ4000/20/38单元支架支护强度为0.9MPa，最大工作阻力为4000KN，所以选择该支架满足支护强度与工作阻力要求。

第三节  材料道原支护失效机理分析

一、原支护方式下材料道破坏情况：

8521工作面溜子道为实体煤巷道，巷道变形量相对较小。材料道为沿空送巷，与8519工作面采空区为邻，工作面上部为7519、7521采空区，材料道7#、8#煤层间距较小层间距为2.5-1.0米，且在工作面121～125#架之间存在一个7519溜子道与7521材料道煤柱，该煤柱距材料道仅13.6米，受诸多因素影响造成材料道地应力叠加导致应力集中，矿压显现较为严重，因此8521工作面材料道打设4排超前支护单体，超前支护距离达到200米，超前120米范围内为5排超前支护单体，超前范围100米范围内巷道压力大，煤炮频繁，顶板下沉、底鼓、鼓帮严重，巷道变型严重，工字钢棚梁压扁，棚腿弯曲变成S型，巷道高度最低时仅1.5米，宽度最窄2.5米，通风断面严重不足，受巷道压力影响压死、压弯、压断单体较多，支护强度严重不足。材料道在周期来压期间，超前30米范围内会出现压力增大现象，具体表现为单体压死、单元支架压死，顶板下沉及底鼓量明显增加的现象。

材料道超前范围内巷道下沉量大，底鼓量达到1.3米，巷道高度低，安全行人出口高度达不到要求，影响人员安全通过。材料道单体支护密度高，数量多，全断面卧底难度大，卧底后需重新改打的单体数量多，整改压死、压弯、压断单体量大，每天安排大量人员进行卧底、整改失效单体，卧底支出的矸石进行人工远距离搬运，因此需要投入的人力、物力较多，整改进度慢，整改量大、卧底难度大，矸石较硬为细砂岩，每天早班进行卧底爆破施工。我队采取多种措施，确保巷道高度及支护质量，积极消除重大安全隐患。

材料道作为防冲巷道进行管理，存在防冲安全风险，所有进出人员均要穿防冲服及防冲头盔，超前100米范围内单体三用阀用风带布包裹防崩，所有超前单体均上下绑两道钢丝绳连柱防崩，材料道超前范围内限员管理，不得人员聚集，给现场劳动组织带来很多不便，工人劳动强度增加。

第三节  材料道补强支护方案及效果分析

一、单元支架补强支护方案：

我矿对8521材料道进行抢救性支护，决定在8521材料道安装单元支架作为超前支护，超前支护距离不低于120米，单元支架型号：ZQ-4000/22/44 ，支撑高度：2200～4400mm，工作阻力：4000KN，总重量：4500kg。

二、单元支架补强支护效果：

随着材料道安装ZQ-4000/22/44 型单元支架作为超前支护后，巷道压力逐步减小，单元支架自外向里安装，安装在巷道中间，随着工作面推进逐步到达工作面机尾位置，在单元架与单体衔接初期，巷道变形虽明显减小，但巷道压力依然很大，随着单元支架的安装数量增多距离延长后，巷道的压力逐渐减小下来，单元支架支护距离达到了180米，超前30米范围内底鼓量在0.3～0.4米之间，顶板下沉量在0.2～0.3米之间，两帮变型量在0.5～1.0米之间，巷道高度、宽度得到了保障，巷道支护强度得到了加强，煤炮明显减少，两帮压断、压弯单体大幅度减少，安全环境得到了大幅改善。同时材料道也解除了防冲威胁，通过该区域人员不需要在进行限员及穿防冲服，通风断面也满足了通风要求，取消了卧底爆破施工，人工卧底量减小，解放出大量打支护单体、改支护单体及卧底人员，区队劳动组织得到了优化。

结论：工作面断层多，顶板差，推进度慢，材料道为沿空送巷，距上覆采空区近，压力大，巷道应力集中，特别是在周期来压期间，巷道变形严重，严重制约着安全生产。原支护已不能满足支护强度，自从增加单元支架作为超前支护后，巷道支护强度得到了加强，巷道围岩变形明显降低，压断、压弯单体明显减少，卧底量减少，巷道的高度、宽度基本满足生产需要，单元支架作为超前支护的使用通过现场实践是成功的、有效的。