红庆河煤矿深部大采高动压巷道超前支护.pdf

技术经验与应用郑立永，王国龙，常云博（北京天地华泰矿业管理股份有限公司，北京１０００１３）摘要为解决红庆河煤矿存在相邻工作面在二次采动的影响下，现有超前支护易发生底鼓、漏顶和片帮现象，致使巷道维护困难的问题，通过现场调研和工程类比的方法，分析现有超前支护中存在的问题并确定出合理的超前支护参数。采用现场监测的方法确定出本煤矿合理的超前支护范围不小于７０ｍ，最终确定为１００ｍ；采用菱形金属网加锚杆和纵向钢带组合方法对超前支护进行补强，解决了超前支护区域漏顶的问题，同时采用单排垛架加双排单体液压支柱的方式进行超前支护，减少了双排垛架在动压影响下前移困难的问题，并为行人安全通过机尾创造了良好条件。关键词大采高工作面；动压巷道；二次动压；超前支护；菱形金属网中图分类号ＴＤ３５５文献标志码Ａ文章编号１６７１－７４９Ｘ（２０２０）０３－００９８－０５ＡｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔｏｆｄｅｅｐｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｒｏａｄｗａｙｉｎｌａｒｇｅｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔｆａｃｅｏｆＨｏｎｇｑｉｎｇｈｅｍｉｎｅＺＨＥＮＧＬｉ  ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧＧｕｏ  ｌｏｎｇ，ＣＨＡＮＧＹｕｎ  ｂｏ（ＢｅｉｊｉｎｇＴｉａｎｄｉＨｕａｔａｉＭｉｎｉｎｇＭａｎａｇｅｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１３，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｆｌｏｏｒｈｅａｖｅ，ｒｏｏｆｆａｌｌ，ｒｉｂｓｐａｌｌｉｎｇａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｏｆｔｈｅａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔｒｏａｄｗａｙｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｅｃｏｎｄａｒｙｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅａｄｊａｃｅｎｔｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｉｎＨｏｎｇｑｉｎｇｈｅｃｏａｌｍｉｎｅ，ｂｙｆｉｅｌｄｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎａｌｏｇｙ，ｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｏｎ  ｓｉｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｉｔｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈａｔｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔｒａｎｇｅｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｉｓｎｏｔｌｅｓｓｔｈａｎ７０ｍ，ａｎｄｔｈｅｆｉｎａｌｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｉｓ１００ｍ．Ｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｄｉａｍｏｎｄｍｅｓｈ，ｂｏｌｔａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｓｔｅｅｌｓｔｒｉｐｔｏｒｅｉｎｆｏｒｃｅｔｈｅａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔ，ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｒｏｏｆｌｅａｋａｇｅｉｎｔｈｅａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔｒａｎｇｅｗａｓｓｏｌｖｅｄ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅａｄ  ｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔｍｅｔｈｏｄｏｆｓｉｎｇｌｅｒｏｗｏｆｃｈｏｃｋｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｄｏｕｂｌｅｒｏｗｏｆｓｉｎｇｌｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｒｏｐｓ，ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｄｏｕｂｌｅｒｏｗｏｆｃｈｏｃｋｓｕｐｐｏｒｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｍｏｖｅｆｏｒｗａｒｄｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｗａｓｓｏｌｖｅｄ，ａｎｄｇｏｏｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒｐｅｏｐｌｅｔｏｐａｓｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔａｉｌｓａｆｅｌｙｗｅｒｅｃｒｅａｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｌａｒｇｅｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ；ｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｒｏａｄｗａｙ；ｓｅｃｏｎｄａｒｙｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ；ａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔ；ｄｉａ  ｍｏｎｄｍｅｔａｌｍｅｓｈ基地内的东胜煤田新街矿区，设计产能１５００万ｔ／ａ，采用立井开拓方式。井田内煤层埋藏较深，可采煤层较厚，同时直接顶厚而较硬，工作面在回采过程中，矿压显现剧烈，特别是相邻接续工作面，受到二次动压影响，顶板下沉、底板鼓起、煤壁片帮、锚杆锚索崩断等动压显现情况频繁发生，甚至出现冒漏顶８９郑立永王国龙常云博红庆河煤矿深部大采高动压巷道超前支护２０２０年收稿日期２０１９－０９－１８ 基金项目天地华泰华泰自主创新项目（ＴＤＨＴＫＹ２０１７００４）；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项重点项目（２０１８－ＴＤ－ＺＤ００７）作者简介郑立永（１９８４），男，河北邢台人，２０１２年毕业于中国矿业大学（北京）采矿工程专业，硕士，工程师，现从事煤矿开采工作。０引言红庆河煤矿位于国家大型煤炭基地神东煤炭红庆河煤矿深部大采高动压巷道超前支护 现象，巷道维护困难，严重影响生产接续及矿井安全，成为红庆河煤矿安全高效开采的重要制约因素，亟需确定相适应的采场矿压管理手段以及动压影响下巷道超前支护技术，为现场提供有力的管理和技术指导。目前已有的研究多集中在对于深井厚煤层顶板结构的研究上［１－５］，并取得了一定的研究成果，而对于深部矿井厚煤层工作面开采过程中动压影响下超前支护方式的选择的相关研究较少［６－８］，同时神府东胜煤田埋深超过６００ｍ的矿井多处于新开发阶段，该类型矿井地压、巷道变形以及巷道支护尚无借鉴经验，有待进一步研究。针对红庆河煤矿存在相邻工作面采动影响下（即二次动压影响下），现有超前支护易发生底鼓和片帮，工作面受二次动压影响的巷道维护困难，人员安全受到威胁的问题。为此，以红庆河煤矿３－１１０３工作面辅运顺槽超前支护区域为研究对象，结合实际生产技术条件和地质条件，分析３－１１０３工作面辅运顺槽超前支护区域围岩变形影响因素及围岩破坏特征，同时对比优化前后超前支护区域巷道破坏情况以及支护参数，确定适用于红庆河煤矿动压巷道超前支护的有效方式，进而为其他类似条件下的深井大采高千万吨级的矿井回采工作面的动压巷道超前支护提供相关的借鉴作用，同时也为东胜煤田范围内的类似煤层开采提供重要的参考依据。１工作面概况红庆河煤矿首采３－１煤层，该煤层在井田范围内呈全区发育，煤层结构简单，平均赋存深度为７１８．６０ｍ，平均厚度６．２３ｍ，采用长壁后退式一次采全高采煤方法。３－１１０３工作面为３－１煤层一采区第二个工作面，工作面的倾向长度为２４５．７５ｍ，走向长度为３５４４ｍ，采高６．２３ｍ，３－１１０３工作面辅运顺槽南翼为已回采结束的３－１１０１工作面。３－１１０３工作面顶底板岩层结构简单，以砂岩及泥岩为主。顶底板围岩岩性及厚度分布具体见表１。２原支护方式存在的问题２．１原支护方式３－１１０３工作面辅运输顺槽沿煤层底板掘进，巷道净宽５８００ｍｍ，净高３９００ｍｍ。辅运顺槽采用锚网索联合支护。两帮支护方式为左旋螺纹钢锚杆＋菱形金属网，锚杆间排距为８５０ｍｍ１０００ｍｍ，每帮５根。顶板支护方式为焊接钢筋网＋左旋螺纹钢锚杆＋锚索。锚杆间排距８５０ｍｍ１０００ｍｍ，每排７根锚杆，锚索间排距２０００ｍｍ１７００ｍｍ，每排２根锚杆，该巷道设计长度３７９０ｍ。表１３－１１０３工作面顶底板围岩特征分布表顶底板名称岩石名称厚度／ｍ特征基本顶中粒砂岩、含砾粗砂岩４８．８４～１０７．７４７７．５３浅灰绿色－灰绿色，主要成分为长石，石英及少量暗色矿物，分选，磨圆较差直接顶粉砂岩－砂质泥岩５．９０～２４．７３１９．７６浅灰色－灰色，泥质胶结，波状－微波状层理，含植物叶化石直接底砂质泥岩３．８４～４４．５０１６．７６灰色，微波状－波状层理，夹泥岩条带，含植物叶化石老底粉砂岩０．００～３６．４１８．２０灰白色，局部为灰黑色，层状主要成分为长石和少量的石英碎屑组成，胶结物为泥质，与下部岩层界线清楚２．２存在的问题焊点失效导致漏顶事故原巷道支护方式中采用焊接金属网作为顶板支护的材料，在巷道未受采动影响的条件下，可以满足现场支护的需要［９－１１］。但在采动影响下，部分焊点失效时，金属网整体支护强度下降，发生漏顶事故，难以对顶板进行有效的支护，如图１所示。９９第３期郑立永王国龙常云博红庆河煤矿深部大采高动压巷道超前支护 图１顶板焊接金属网撕裂现场图垛架支护范围内巷道变形严重原超前支护方式为双排ＺＴ１１０００／２２／４４垛式支架支护，如图２所示，超前支护长度为５０ｍ。双排垛架的支护方式具有支护面积大、强度高的特点，能在一定程度上有效的控制顶板的变形［１２－１５］。但由于３－１１０３辅运顺槽临近３－１１０１工作面采空区，在３－１１０３工作面的回采过程中受采动影响，巷道超前垛架支护范围内巷道变形严重，回采前必须清底和刷帮才能进行拉移垛架，极大的增强了工人的劳动强度；同时双排垛架进行超前支护巷道两帮鼓出后，安全通道不能满足要求。图２原超前支护方式３巷道支护以及超前支护方式的确定３．１超前支护合理长度的确定监测方案及结果为确定超前支护合理长度，３－１１０１工作面回采期间，在３－１１０３（备采）工作面辅运顺槽布置测站。在３－１１０３辅运顺槽２８００ｍ和２３００ｍ设立两处测站，监测备采工作面顺槽顶部、帮部锚杆（索）受力情况，监测结果如图３、４所示。图３２８００ｍ测点顶帮锚杆锚索受力曲线图图４２３００ｍ测点顶帮锚杆锚索受力曲线图００１陕西煤炭２０２０年结果分析 ①由图３可知，工作面侧锚杆锚索在超前７０ｍ处，受力开始普遍增大，其中一根侧锚索在超前１５０ｍ时开始增大；煤柱侧锚索在超前３０ｍ处开始普遍增大，其中一根侧锚索在超前１００ｍ处受力开始增大；顶板锚杆锚索在超前３０ｍ处，受力开始增大； ②由图４可知，工作面侧锚杆锚索在超前７０ｍ处，受力开始普遍增大，锚杆锚索受力呈锯齿状波动，由于锁具脱扣导致；煤柱侧锚锚索在超前７０ｍ处开始普遍增大；巷道顶板锚杆索受力较为稳定，其中一根锚索在超前５０ｍ处开始显著增大。超前支护的合理长度通过２３００ｍ和２８００ｍ监测数据分析和现场实际情况可知，回采过程中超前压力的影响范围在７０ｍ以上。５０ｍ超前支护对动压影响的超前巷道支护效果不理想，故超前支护距离选择不小于７０ｍ，结合现场条件最终确定为１００ｍ。３．２超前支护合理方案的确定针对顶板采用焊接金属网对巷道顶板进行支护易发生漏顶事故的问题，提出两种补强支护方案。方案一采用菱形金属网对超前支护范围内的顶板进行补强支护，菱形金属网顶网与顶网搭接不少于５０ｍｍ，顶网与帮网搭接不少于５００ｍｍ。方案二采用菱形金属网对超前支护范围内的顶板进行补强支护，菱形金属网片间搭接不少于１００ｍｍ，顶网必须与帮网搭接不少于５００ｍｍ，两肩窝处各打一根锚杆，补网后顶板再采用三条“ Ｗ” 纵向钢带加锚索支护的形式进行补强。窝处漏顶，如图５所示。方案二补强结果现场采用方案二进行补强支护后（补强效果如图６所示），垛架之间以及垛架与煤壁一侧漏顶现象消失。故最终采用方案二对动压巷道进行补强支护。图６方案二补强支护实效图３．３超前支护方式的优化支护必要性及方案采用补强支护后，超前支护区域漏顶现象消失，但仍存在垛架被巷道两帮及顶板挤死，行人困难的情况，需要优化现有的支护方式。单体液压支柱与垛式支架相比，具有支护灵活，占用巷道空间少的优点，采用单体液压支柱后，能够给巷道两帮预留一定的变形空间，同时可以消除左右两垛架之间相互挤压的现象，故在应力最集中的超前２０ｍ范围内，采用双排单体支柱代替原有的一排垛架，进行支护，支护方案如图７所示。实践结果现场实践表明，采用双排单体支柱加一排垛架进行超前支护，消除了垛架之间的相互挤压现象，无需清底刷帮后再进行垛架前移，同时双排单体支柱的使用，减少了巷道空间的占用，为行人安全通过机尾创造了良好的条件。结合现场实践，重新确定超前支护范围、更改超前支护方式，有效控制了顶板漏顶，保证了机尾安全出口的畅通，减少了巷道起底和刷帮清理的工程量，取得了很好的安全效果和经济效益。同时，对于正在施工的备采工作面动压巷道，在一次成巷时直接使用双层菱形金属网进行顶板支护，以满足动压巷道超前支护的需求。４结论（１）通过巷道锚杆锚索受力情况的监测和现场实际情况，重新确定了红庆河煤矿二次动压影响巷道超前支护的合理范围不小于７０ｍ，且结合现场情况确定为１００ｍ。１０１第３期郑立永王国龙常云博红庆河煤矿深部大采高动压巷道超前支护 图５方案一补强结果图方案一补强结果现场采用方案一进行补强支护后，垛架之间网片间搭接距离不够，仍发生漏顶，同时在垛架与煤壁一侧，支护刚度不够，导致巷道肩图７双排单体支柱与单排垛架相组合的支护方式（２）采用菱形金属网加金属锚杆和纵向钢带加锚索支护的形式进行补强后，可以有效控制二次动压影响巷道顶板漏顶现象，同时在备采动压巷道的施工过程中，采用双层菱形金属网进行支护。（３）将双排垛架的超前支护方式改为双排单体液压支柱加单排垛架的超前支护方式，有效减少了现场清底刷帮的工作量，为行人安全通过机尾创造了良好条件。参考文献［１］康继忠．朱家店煤矿４＃煤自燃指标气体优选试验研究［Ｊ］．煤矿安全，２０１２，４３（１０）２１－２４．［２］寇砾文，蒋曙光，王兰云，等．煤自燃指标气体产生规律及影响因素分析［Ｊ］．矿业研究与开发，２０１２，３２（２）６７－７０．［３］寇砾文，蒋曙光，王兰云，等．温庄煤自燃指标气体产生规律及影响因素分析［Ｊ］．煤矿安全，２０１２，４３（３）６－１０．［４］解德录，郭英海，赵迪斐．基于低温氮试验的页岩吸附孔分形特征［Ｊ］．煤炭学报，２０１４，３９（１２）２４６６－２４７２．［５］宋泽阳，朱红青，徐纪元，等．地下煤火高温阶段贫氧不完全燃烧耗氧速率的计算［Ｊ］．煤炭学报，２０１４，３９（１２）２４３９－２４４５．［６］邵昊，蒋曙光，吴征艳，等．二氧化碳和氮气对煤自燃性能影响的对比试验研究［Ｊ］．煤炭学报，２０１４，３９（１１）２２４４－２２４９．［７］杨永良，李增华，季淮君，等．可溶有机质对煤低温氧化的影响［Ｊ］．煤炭学报，２０１３，３８（１０）１８０６－１８１１．［８］段春生，雷炎云，李世雄，等．不同风量下采空区自燃三带判定及防灭火技术［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１５，４３（１）６２－６５．［９］董宪伟，王福生，孟亚宁．煤的微观孔隙结构对其自燃倾向性的影响［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１４，４２（１１）４１－４５，４９．［１０］邓军，赵婧昱，张阓妮．基于指标气体增长率分析法测定煤自燃特征温度［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１４，４２（７）４９－５２，５６．［１１］孙希奎，刘金举．自燃煤层封闭采空区瓦斯火灾双重灾害治理技术［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１４，４２（６）１００－１０３．［１２］彭伟，何启林，葛新玉．煤炭自燃指标性气体确定的试验研究［Ｊ］．中国安全生产科学技术，２０１０，６（６）１４０－１４４．［１３］谢振华，金龙哲，宋存义．程序升温条件下煤炭自燃特性［Ｊ］．北京科技大学学报，２００３，２５（１）１２－１４．［１４］朱令起，周心权，谢建国，等．自然发火标志气体试验分析及优化选择［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２００８，２５（４）４４０－４４３．［１５］宋万新．立体抽采条件下高瓦斯采空区煤自燃危险性预测［Ｊ］．中国安全科学学报，２０１２，２２（４）４９－５１．２０１陕西煤炭２０２０年

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