郭庄煤业公司3308工作面沿空留巷支护设计研究

张永杰

(山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046000)

1 工作面简介

郭庄煤业3308工作面位于3307工作面与3309工作面中间，工作面南部为二采区回风大巷，北部为三采区回风大巷。3308工作面长度约为2 200 m，倾向长度为230 m，倾角约为20°。3308工作面位于5号煤层，属于可采煤层，走向为南北方向，厚度约为6.15 m，赋存于二叠系山西组地层中下部，坚固性系数为0.5～0.7，煤质以贫煤为主，埋深为380～420 m。顶底板岩层包括细粒砂岩、泥岩、粉砂岩、砂质泥岩、煤，具体结构参数示意如图1所示。3308工作面东部有正断层发育，高度为0～7 m，顶底板有6个富水异常区，顶板水害为主要水害类型，底板在掘进时奥灰水影响较小，巷道涌水量最大为20 m3/h，平均涌水量为5 m3/h。

图1 3308工作面顶底板岩层结构参数示意

2 3308工作面沿空留巷支护设计

2.1 巷旁支护

1) 参数设计。3308工作面的胶带巷为3309工作面轨道巷，总长度约为2 200 m。由于X17陷落柱对胶带巷的影响，3308工作面在前110 m胶带巷不留设柔模墙，自3308工作面与3309工作面切眼处进行柔模墙浇筑，沿空留巷长度约为1 500 m。对3308工作面胶带巷留巷宽度进行设计，综合考虑沿空留巷用途以及施工要求，设计宽度为4.5 m，净宽为4.3 m，巷旁支护宽度设计为1.7 m。

依据过往的设计经验，柔性模板采用三维纺织结构设计，其结构示意如图2所示。三维纺织结构模板由内部拉筋与外部加筋纤维布两部分组成，为封闭结构，结构外形与支护体几乎相同，有固定装置以及自闭灌注口设置，材质轻、强度高、实际施工也较为方便。水泥使用M40强度等级的水泥浆，具有密实、高强、早强等特点。

图2 三维纺织结构模板示意

锚栓采用22号左旋无纵筋螺纹钢筋500钢号的杆体，杆体两端设有规格为M22的螺纹，成型工艺为滚压加工工艺，螺纹长度设计应大于150 mm，杆体应大于墙厚约250 m。需注意，锚栓开通孔的一端在浇筑完成后应穿8号铁丝进行固定，防止螺帽在后期来压后飞出伤人。锚栓托盘尺寸设计长、宽、高分别为150 mm、150 mm、120 mm，采用拱形高强度设计，使用中需配合减阻尼龙垫圈与球形垫，拱高应为36 mm，额定承载能力为23 t。锚栓垂直于墙面布置，每排设置5根，间距设定为750 mm×550 mm，锚栓额定预紧力设计为300 N·m，螺帽厚度设计为32 mm。

钢筋钢带焊接材质为D16 mm钢筋，依据三维纺织结构模板要求，需加工为2 m×3.5 m×1.5 m、3 m×3.5 m×1.5 m、4 m×3.5 m×1.5 m以及长度为3.5 m的竖钢筋钢带(长度依据实际高度制作)，其钢筋钢带尺寸示意如图3所示。

图3 钢筋钢带尺寸示意(mm)

2) 压力计算。沿空留巷压力主要通过叠加层板法进行计算，依据弹塑性力学理论与顶板特征，将沿空留巷的顶板简化为矩形叠加层板。叠加层板可分三边支承与四边支承两种，其力学模型与自重载荷受力示意如图4(a)、(b)所示。其中，短支承边承受载荷为阴影部分，长支承边承受载荷为其余部分。选取矩形板中单位宽度长条带载荷分布面积占有最大的长条带作为计算模型，即三边支承与四边支承示意图中的A-B-C-D条带，具体为图4(c)、(d)，通过分析可知，两图的长条带形式一样，简化为图4(e)。

图4 叠加层板法沿空留巷压力计算模型示意

叠加层板法沿空留巷压力计算公式为：

P=(M1+M2+M3)/a

M2=[a+(n-1)htanα]γhL

M3=Rh2/6

式中：n为垮落层数，取11；a为维护宽度，取5.8 m；γ为岩层容重，取0.026 MN/m3；h为分层厚度，取2 m；α为垮落角余角，取45°；M1为残余边界自重弯矩，MN·m；M2为岩层垮落剪力弯矩，MN·m；M3为岩层极限弯矩，MN·m；L为岩层垮落岩块长度，取8 m；R为抗拉强度，取1.5 MN·m。

将数据带入公式计算可得，M1=82.84 MN·m，M2=10.73 MN·m，M3=1 MN·m。则沿空留巷压力P=16 305.2 kN/m。

2.2 待浇筑空间围护

待浇筑空间围护的设计主要由采空区围护、端头区围护以及待浇筑空间支护三部分组成。

2.2.1 端头区围护设计研究

端头区围护的主要作用是对顶煤的完整性进行保护，防止移驾后顶煤发生垮落。现存在的问题为排头架顶梁与尾梁不平齐，使得尾梁处的顶煤支护有所欠缺，故需对该部位进行优化改造。尾梁改造共有两种方法，一种是增加尾梁千斤顶行程，保证顶尾梁平齐，确保顶煤支护的可靠性；另一种是在尾梁千斤顶处增加长套与机械。同时，还需进行锚网索梁支护结构的保护。在进行回采时，需在顶梁上部备足与工作面煤壁平行的木梁，防止支架与顶板直接作用，采用木梁对顶板进行支护，使得移架与支架升降不对原来的支护结构造成破坏。

2.2.2 采空区围护设计研究

采空区围护的设计是为了不让煤炭生产过程中采空区内的矸石涌入留巷内。3308工作面倾角约为20°，随着工作面回采的开展，顶板会发生垮落现象，矸石进入运输巷会对沿空留巷施工造成影响。依据相关经验，采空区围护设计采用沿空留巷挡矸支架的方法。挡矸支架的结构为迈步自移式结构，两支架为一组，具体功能包括挡矸、自移、纠偏、支护、切顶、远程遥控以及自适应巷道留巷等。当工作面支架移动后，挡矸支架需同步移动，保证沿空留巷作业环境的安全。

2.2.3 待浇筑空间支护设计研究

为防止浇筑水泥浆墙体前顶板发生垮冒或过早下沉现象，过渡支架前移后对待浇筑空间采用一梁两柱的方法进行临时支护。其中，π型梁长度应设计为1 500 mm，间排距应设计为1 200 mm×600 mm，打设走向为与沿空留巷垂直。待浇筑空间临时支护平面示意如图5所示。

图5 待浇筑空间临时支护平面示意

2.3 沿空留巷临时支护设计研究

沿空留巷的动压显现一般分为两个阶段，第一阶段为滞后工作面第一个周期来压步距内，第二阶段为滞后工作面4～6个周期来压步距内。通常情况下，第二阶段的动压显现较第一阶段更强，故应以第二阶段动压显现范围为研究对象。通过测算，郭庄煤矿周期来压步距为26～31 m，临时支护范围应确定在100～150 m。超前工作面大于50 m处采用一梁一柱的支护方法，50 m内采用一梁三柱的方法，滞后工作面采用一梁四柱的方法，排距设计为900 mm。单体液压支柱选取DW40-350/110X型，π型梁长度设计为3 700 mm、1 000 mm、4 000 mm。胶带巷道超前支护临时支护平面如图6所示。

图6 胶带巷道超前支护临时支护平面(mm)

3 支护方案效果分析

将上述沿空留巷支护应用于3308工作面回采巷道与留巷后发现，巷道两帮的变形量约为110 mm，顶底板位移量约为140 mm，符合相关安全规定；3308工作面沿空留巷支护可减少掘进巷道长度约2 500 m，费用减少约1 400万元，提升企业经济效益效果显著。

4 结 语

针对郭庄煤业公司3308工作面沿空留巷支护技术尚不成熟的问题，本文通过对郭庄煤业公司矿井的实际条件进行分析，设计出了3308工作面的沿空留巷支护方案，通过研究分析得出了以下结论：

1) 巷旁支护柔性模板采用三维纺织结构设计，沿空留巷压力值应为16 305.2 kN/m；待浇筑空间围护设计包括采空区围护、端头区围护以及待浇筑空间支护三部分，采用一梁两柱与挡矸支架的方法；临时支护采用支架与单体结合的方法。

2) 将支护方案应用于3308工作面后，巷道两帮与顶底板位移量符合相关要求，对沿空留巷稳定性有所提升，沿空留巷的使用使企业节约成本约1 400万元，提升了企业效益。