李 剛

1中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤機裝備有限公司 山西太原 030006

長壁綜采相鄰工作面之間留設保護煤柱，導致煤炭資源浪費，巷道掘進工作量大，采掘銜接不平衡，影響了采煤工作面的有效接續(xù)。近年來，許多礦井采用沿空成巷無煤柱開采技術[1]，提高了資源回采率，延長了礦井服務年限，改善了礦井安全條件，降低了巷道掘進工作量，簡化了工作面接續(xù)程序[2]。

沿空切頂巷道在成巷過程中的臨時支護仍存在著一些問題。傳統(tǒng)的單體支護方式支護工序復雜，勞動強度高，安全系數(shù)低；整體式與分體式超前支架組[3]不能避讓巷道頂板的錨索與錨桿，反復支撐對頂板永久支護造成很強的破壞，不利于成巷穩(wěn)定后巷道頂板的完整性，且在使用過程中操作復雜，靈活性差；單元支架對巷道頂板支護面積小，搬運復雜，勞動強度大。采用新開發(fā)的巷道長距離交替循環(huán)支護成套裝備對沿空切頂留巷巷道實現(xiàn)無反復支撐，能夠避免對巷道頂板錨網索支護系統(tǒng)造成破壞，保證超前與沿空留巷頂板巷道整體的完整性與穩(wěn)定性，同時操作簡單，支護效果好，降低了勞動強度，對于提高沿空切頂成巷無煤柱開采工藝水平，實現(xiàn)礦井綠色、安全、高效開采具有重要意義。

1 地質條件

8201 工作面位于三盤區(qū)山 2 號煤層，水平標高為 886～906 m，走向長度為 1 368～1 380 m，可采走向長度為 1 238 m，傾斜長度為 180 m。2 號煤層為半亮型煤，團塊狀，最大瓦斯含量為 2.18 m3/t，回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為 4.49 m3/min，煤塵爆炸鑒定結論為具有爆炸性，爆炸系數(shù)為 30.21%，自燃傾向性等級為Ⅱ類，自燃傾向性性質為自燃。輔助運輸巷道高度為 3.6 m，寬度為 5.2 m。煤層總厚度為 2.2～3.0 m，平均厚度為 2.4 m，煤層傾角為 1°～5°，平均傾角為 3°，屬簡單結構煤層，煤層中普遍含有 1～3層夾石，夾石巖性為灰黑色砂質泥巖，煤層頂?shù)装逄卣魅绫?1 所列。

2 臨時支護方式及支護范圍分析

采用雙向聚能爆破預裂技術[4]+恒阻大變形錨索技術[5]，實現(xiàn)預裂的同時又可以保護巷道頂板的完整性，達到切頂成巷無煤柱開采的目的。工作面超前段會受到超前壓力的影響，需要進行超前臨時支護；隨著開采推進，頂板垮落，從垮落到穩(wěn)定需要一定的時間，距工作面較近的架后區(qū)域需要進行頂板臨時支護以及擋矸支護；當巷道距工作面較遠時，頂板運動趨于穩(wěn)定，臨時支護可以取消，只需要擋矸支護。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，將切頂成巷無煤柱開采工作面輔助運輸巷道劃分為 3 個區(qū)域(見圖 1)：超前臨時支護區(qū)(工作面前方 60 m)、端頭與架后成巷臨時支護區(qū)(架后 0～200 m)和成巷穩(wěn)定區(qū)(架后 200 m 之后)。不同分區(qū)根據(jù)需要采取不同的支護措施。

3 臨時支護強度分析

3.1 超前臨時支護強度分析

8201 工作面回采巷道沿底掘進，受回采過程中頂煤冒放的影響，巷道頂板煤層裂隙發(fā)育，可將巷道頂板煤巖體視為散體介質。根據(jù)自然平衡拱理論，深部巷道頂部圍巖應力為平衡拱內覆巖重力?；诖耍⑾鄳W模型(見圖 2)，同時在分析過程中考慮工作面采動的影響。

圖2 巷道圍巖力學模型Fig.2 Mechanical model of surrounding rocks in roadway

二次采動期間，8201 工作面輔助運輸巷道上覆巖層形成自然平衡拱最大跨度

式中：a為巷道寬度的一半，取a=2.6 m；h為巷道高度，取h=3.6 m；φ為煤體內摩擦角，取φ=28°。巷道圍巖應力

表1 8201 工作面頂、底板巖層情況Tab.1 Stratum state of roof and floor of work face 8201

式中：K1為一次采動殘余影響系數(shù)，取K1=1.6；K2為二次采動成巷期間不同階段影響系數(shù)，超前支護時段取 1.8，成巷段取 2.0；γ為上覆巖層覆巖容重，取γ=25 kN/m3；f為掘進影響后煤巖體普氏硬度系數(shù)，取f=1.7。

計算得P=201.72 kPa。因此，超前支護強度不小于0.202 MPa。

會計信息主要是對企業(yè)經營過程中的價值運動所產生的數(shù)據(jù)進行處理，按規(guī)定的會計制度、法規(guī)等來加工這些數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)加工成有價值的財務信息以及其他經濟信息。[1]在社會經濟有效運行過程中，會計信息是非常重要的基礎，社會經濟的有效運行要求會計信息要符合社會經濟所反映的客觀事實。同時在會計集中核算機制中采用三分離一公開的制度，從某種程度上提高會計信息的真實性，同時也促使信息的品質得以提高。在會計核算機制中，由于核算的步驟在逐漸縮減，因此這就會促使工作速度不斷提高。

3.2 端頭與成巷區(qū)域支護強度分析

8201 工作面輔助運輸巷道和支護體上方一定范圍內分離巖塊的重力構成了端頭支護載荷。端頭支護處于未采動煤體的高壓力區(qū)和冒落矸石之間，是一個降壓區(qū)。巖塊一邊的采空區(qū)提供了一個主要自由面。因巖體呈層狀，可能在一定高度上產生離層，導致巖塊沿煤壁以α角斷裂，進入完全自由狀態(tài)，成為端頭支護的載荷。沿空留巷端頭支護強度計算模型如圖 3所示。巷旁支護載荷

式中：H為上覆巖層切落高度，取H=10 m；α為剪切角，根據(jù)經驗選取α=26°；b為巷旁支護內側到煤幫的距離，即留巷寬度，取b=5.2 m；θ為煤層傾角，θ=3°。

計算得Q=367.25 kPa?？紤]沿空成巷頂板隔離體上覆巖層在運移過程中對隔離體影響，取 1.2 倍安全系數(shù)，得到端頭與架后成巷區(qū)域支護強度為 440.7 kPa。

圖3 端頭支護力學模型Fig.3 Mechanical model of end support

因此，工作面端頭與架后成巷區(qū)域支護強度不小于 0.441 MPa。

4 臨時支護成套裝備布置方式及技術特點

沿空切頂 8201 工作面輔助運輸巷道臨時支護區(qū)域長度約為 260 m，寬度為 5.2 m，根據(jù)支護方式以及區(qū)域的不同，分為超前支護區(qū)及端頭與成巷臨時支護區(qū)，需要進行有效支護，維護巷道頂板的完整性。巷道采用長距離交替循環(huán)支護成套裝備對超前支護區(qū)及端頭與成巷臨時支護區(qū)進行有效臨時支護(見圖 4)。臨時支護支架采用 2 臺 WC3Y(B)防爆柴油機無軌膠輪運輸車分別在超前支護區(qū)與成巷臨時支護區(qū)進行交替循環(huán)運輸，保證頂板的穩(wěn)定性。

圖4 臨時支護成套裝備運輸布置Fig.4 Transportation layout of complete set of temporary support equipment

4.1 臨時支護支架布置方式

根據(jù)計算確定超前支護強度不小于 0.202 MPa，架后成巷區(qū)域支護強度不小于 0.441 MPa，選取 ZQL 2400/23.5/40 型巷道臨時支護支架對 260 m 輔助運輸巷進行加強支護。具體布置方式如下。

(1)超前支護區(qū)位于工作面超前采動影響區(qū)，需超前加強支護，采用 ZQL2400/23.5/40 型巷道臨時支護支架進行超前支護，支護距離為 60 m，架間距為 1.8 m，避開巷道頂板錨桿及錨索支護，共計 33架，支護強度約為 0.254 MPa。

(2)架后成巷臨時支護區(qū)位于工作面架后影響區(qū)，采空區(qū)頂板巖石垮落會對巷道頂板產生一定的摩擦作用，巷道受動壓影響明顯，頂板壓力較大。在架后 0～200 m 內，頂板需要臨時加強支護，采用ZQL2400/23.5/40 型巷道臨時支護支架+U 形鋼進行架后擋矸支護，防止在動壓作用下碎石幫擠壓 U 形鋼擋桿向巷內移動，并能對頂板提供較大的支護阻力。臨時支護支架間距為 1.0 m，共計 200 架，支護強度約為 0.462 MPa；為防止采空區(qū)的矸石躥入巷道，采用鋼筋網與可伸縮 U 形鋼進行聯(lián)合擋矸支護，可伸縮U 形鋼排距為 500 mm。

4.2 臨時支護成套裝備技術特點

(2)無軌膠輪運輸車雙向前后各有 1 個駕駛室，可以雙向操作行駛；運輸車上設置專用升降、回轉及夾緊機構，確保支架安全運輸支護；車載獨立乳化液泵站，控制系統(tǒng)采用快速插裝自封式，確保整架無液壓管路外露，保證操作人員的安全性。

(3)臨時支護支架結構簡單，支護強度大，通過調節(jié)架間距，可滿足不同巷道壓力變化的要求；支架梁體采用窄型設計，可靈活布置于錨桿與錨索之間，避免破壞錨桿與錨索；支架立柱采用球形鉸接設計，滿足巷道起伏不平的要求。

5 支護效果分析

為分析沿空切頂成巷開采臨時支護區(qū)域支護效果，分析超前、架后成巷區(qū)域支護強度合理性，建立回采工作面沿空留巷三維數(shù)值模型[6]。按照工作面尺寸、巷道尺寸及頂?shù)装鍡l件進行參數(shù)賦值，編制有限差分程序；根據(jù)巷道支護設計，模擬過程中對回采巷道進行錨桿(索)支護；結合計算結果，模型模擬煤層及部分上位巖層，剩余上覆巖層以均布載荷代替。建立的模型如圖 5 所示。

圖5 巷道臨時支護支架支護模型Fig.5 Model of temporary support in roadway

5.1 超前支護區(qū)支護效果分析

(1)沿空巷道在超前支護下垂直應力云圖如圖 6所示。在支護強度為 0.254 MPa 條件下，圍巖應力主要集中于巷道兩幫，最大應力約為 11 MPa，巷道頂板上覆巖層在超前支護的作用下出現(xiàn)零應力區(qū)，巷道圍巖應力分布合理。

圖6 沿空巷道在超前支護下垂直應力云圖Fig.6 Vertical stress contours of goaf roadway in advance supporting mode

(2)巷道超前支護范圍內圍巖變形如圖 7 所示。在超前支護作用下，巷道頂板最大下沉量為 42 mm，位于巷道頂板中部，兩幫最大變形量為 23 mm，巷道整體變形量小。

圖7 沿空巷道在超前支護下位移云圖Fig.7 Displacement contours of goaf roadway in advance supporting mode

沿空切頂成巷采用 ZLC2400/23.5/40 型巷道臨時支護支架進行超前支護，通過數(shù)值模擬分析，可知在 0.254 MPa 超前支護強度下，支架可有效承載上覆巖層應力，緩減巷道幫部破壞變形，巷道整體變形量小，超前支護強度合理。

5.2 成巷區(qū)域滯后支護效果分析

沿空切頂成巷滯后支護區(qū)域內巷道上覆巖層采空區(qū)側向基本頂已切落，巷道圍巖由大變形恒阻錨索、普通錨索及錨桿支護體系與 ZLC2400/23.5/40 型巷道臨時支護支架共同維護，巷道圍巖頂板活動劇烈。根據(jù)工作面臨時支護支架排距為 1.0 m 條件下對巷道圍巖的控制效果進行分析，滿足沿空切頂成巷的要求。

(1)成巷區(qū)域滯后支護圍巖破壞區(qū)域分布如圖 8所示。沿空切頂巷道圍巖破壞區(qū)域深度約為 1.3 m，支架-圍巖接觸區(qū)域主要表現(xiàn)為正在發(fā)生剪切破壞，破壞深度約為 0.35 m，頂板距巷道 0.2～0.7 m 范圍內巖層已經發(fā)生剪切破壞，上覆巖層距頂板 0.7～1.3 m范圍主要表現(xiàn)為拉升破壞；支架-圍巖接觸范圍以外頂板巖層主要表現(xiàn)為拉伸破壞，破壞高度為 1.3 m，巷道底板及幫部主要表現(xiàn)為剪切破壞，底板破壞深度約為 5.6 m。

圖8 成巷區(qū)域滯后支護圍巖破壞區(qū)域分布Fig.8 Distribution of damaged surrounding rock area in formed roadway in behind supporting mode

圖9 成巷區(qū)域滯后支護巷道圍巖變形云圖Fig.9 Displacement contours of surrounding rock in formed roadway in behind supporting mode

(2)成巷區(qū)域滯后支護巷道圍巖變形如圖 9 所示。巷道中部及靠近切頂一側頂板下沉量為 110～150 mm，最大下沉量為 165 mm；靠近實體煤幫下沉量為100～130 mm；巷道幫部變形量集中于 60～90 mm，最大變形量為 125 mm，位于幫部偏下靠近底板區(qū)域；巷道底板最大底鼓量為 200 mm，位于巷道底板中部區(qū)域。巷道臨時支護支架在支護過程中有穿底現(xiàn)象，在實際使用過程中應采取措施硬化巷道底板，增加底板圍巖剛度與強度，使底板-支架-頂板具有良好的耦合效果，充分發(fā)揮臨時支護支架的承載作用，確保沿空切頂巷道支護效果。

5.3 超前支護區(qū)超前壓力顯現(xiàn)規(guī)律分析

超前支架用于保護工作面推進期間回風巷安全生產。通過超前支架壓力顯現(xiàn)，可以觀測到煤壁前方支承壓力基本規(guī)律，為煤礦安全生產提供安全保障。超前支架布置在輔助運輸巷道，共 34 個支架，支架間距為 1.8 m。2018 年 11 月 11 日—12 月 18 日期間，對壓力表編號為 13～26 號的超前臨時支護支架進行監(jiān)測，超前壓力顯現(xiàn)規(guī)律如圖 10 所示。

(1)由圖 10(a)～(c)可知，隨著工作面的推進，超前支架壓力逐步增大，支架壓力呈現(xiàn)出緩慢增長至壓力顯著增加，最后在支承壓力峰值位置出現(xiàn)急劇上升的趨勢，部分支架在到達最大值后出現(xiàn)小幅度回落。根據(jù)現(xiàn)場觀測統(tǒng)計，一般在距離工作面 19.5 m時，支架壓力會顯著上升，表明支承壓力在這個區(qū)域明顯增大。

圖10 超前壓力顯現(xiàn)規(guī)律Fig.10 Appearance laws of leading pressure

(2)由圖 10(a)～(c)可知，在支架距離工作面由遠及近的過程中，初期煤幫側壓力總是大于煤柱側；當支架離工作面很近時，煤柱側支架壓力突然急速攀升超過煤幫側支架壓力。前期支架離工作面較遠時，煤壁前方支承壓力主要出現(xiàn)在煤幫側，而當支架距離工作面很近時，回采空間與輔助運輸巷空間結合而成為一個更大的“采空區(qū)”，此采空區(qū)的一側就變成了煤柱。支架距離工作面較遠時，煤幫成為主要承載體；而當支架距離工作面較近時，煤柱成為了主要承載體，導致煤柱一側支架壓力遠遠大于煤幫側。

(3)由圖 10(d)可知，整個監(jiān)測期間煤幫側支架最大壓力為 30～38 MPa，煤柱側支架最大壓力起伏較大，最大壓力為 32～48 MPa。煤幫側平均最大壓力為 33.6 MPa，煤柱側平均最大支架壓力為 38.9 MPa，可知煤柱側支架最大壓力大于煤幫側，超前臨時支護支架的支護強度能夠滿足巷道超前壓力的要求。

6 結語

針對現(xiàn)有的沿空留巷支護工藝裝備中存在的不足，巷道長距離交替循環(huán)支護成套裝備可避免破壞錨桿與錨索，實現(xiàn)沿空留巷巷道 260 m 無反復支撐，保證了頂板完整性與穩(wěn)定性，有效地保證了沿空切頂成巷后巷道的成型效果，減輕了工人的勞動強度，提高了資源回收率。

采用該裝備，材料消耗降低了 30%，節(jié)省了支護成本；降低了工人的勞動強度，提高了支護效率，搬運支撐用時約為 10 min，比傳統(tǒng)的單元支架搬運支撐少用時約 20 min，對新暴露的巷道頂板實現(xiàn)及時有效的支護。專用的無軌膠輪運輸車自帶獨立乳化液泵站，確保及時為單個支架供液，滿足長距離巷道快速支護要求。