补连塔煤矿过32201工作面空巷的理论分析与计算

摘  要  通过对补连塔煤矿过32201工作面空巷进行理论分析与计算，为今后过空巷的支护提供理论依据。

关键词  空巷  岩石应力  支护参数

随着神东煤炭公司采掘设备现代化程度的不断提高，顺槽的长度也在逐渐加大，使得顺槽内仅设一部胶带输送机远远满足不了矿井生产对运力的要求，因此需要在顺槽内再安设二部胶带输送机机头或采用中部驱动。由于左、右工作面布置方式的不同，为便于二部胶带输送机机头的安装与回撤，需要在部分工作面内施工空巷，这就导致综采工作面在推到此位置时需要过空巷。由于空巷的用途不同，因此空巷掘进的断面和与工作面所成的角度也有所不同，这就使综采工作面在回采过程中过空巷所需选择的支护方式也有所不同。但最终的目的只有一个，那就是既要保证回采安全，还要考虑到最经济的支护方案，因此要求支护参数的计算必须合理且可靠。

1  32201工作面空巷的地质及掘进概况

    补连塔煤矿32201工作面联络巷（原回撤通道，其中辅回撤通道横穿工作面，主回撤通道掘进150m）主通道距32201工作面切眼1053m，与该工作面切眼平行，主要是为原来跳采所掘进的回撤通道。

    主通道巷宽5.5m，高3.6～3.8m；辅通道巷宽5.5m，高3.6m；巷道留底煤500～800m，顶煤厚度1.5～1.9m。该通道原采用锚杆支护，锚杆间距1m，主通道5根/m，辅通道4根/m，锚杆长度为1.8m，直径φ16mm，材质为A3钢。

由通道附近钻孔柱状图可知，煤层厚度6.2m，顶板基岩厚度85m，松散层厚度50m，埋藏深度135m，直接顶为砂质泥岩，厚度4.09m，老顶（基本顶）为中砂岩，厚度10.28m。

根据补连塔煤矿以往过空巷的经验数据分析，在过31302综采工作面70^#联络巷空巷贯通时，工作面顶板支护范围较大，最大控顶距为9.25m，支护面积达2238.15m²，空巷内采用木柱和木垛的支护方式。依据70^#联络巷贯通的经验，贯通时工作面压力虽不大，但由于工作面回撤木柱停留时间较长（共用了5个班时间撤完），回撤后期工作面中部压力明显增大，支护木柱弯曲变形，快速推进对于过空巷非常关键。

2  联络巷支护参数的计算

2.1  32201工作面过联络巷的理论依据

    通过对32201工作面联络巷取岩心的结果分析认为，在该岩层结构和所选用液压支架条件下，支架和冒落矸石的阻力力矩大于老顶的下沉转动力矩，过空巷的顶板岩层大结构按最危险的情况考虑是能维持自身平衡的。因此，过联络巷的最大问题就是维持采场范围内直接顶的支护以及稳定，此时空巷的支护载荷可按直接顶的自重考虑。

    据此分析，联络巷空间需要的支护载荷为：

    q_x   = 0.025×4.79

       = 0.12 MPa.

工作面过联络巷时的实际支护载荷以及安全程度评估，按照补连塔煤矿首采工作面的联络巷实际支护技术参数，其支护强度为：

q^’_s = （5×27+4×5+150）/（5.5×1.75）

   =  0.32 MPa.

因此，联络巷的实际支护强度应为所需的3倍，补连塔煤矿首采工作面过联络巷从支护强度考虑是安全的。

2.2  32201工作面地质条件和空巷的支护参数

图1  岩层柱状图

32201工作面为2^-2煤层的首采工作面，煤层厚度6.2m，顶板基岩厚度85m，松散层厚度50m，埋藏深度135m。直接顶为砂质泥岩，厚度4.09 m；老顶（基本顶）为中砂岩，厚度10.28m。补连塔煤矿2^-2煤层32201工作面岩层柱状如图1所示。

32201工作面的长度为240m，采高3.5m；空巷为矩形断面，宽度5m，高度3.5m；空巷（回撤通道）内顶板支护形式为锚杆+锚索+网+槽钢联合支护，锚索长度6.5m，间距1.75m，用锚索吊挂槽钢形成主要支护；在2排锚索之间采用锚杆支护，间距1.75m；顶板铺设金属网。32201工作面空巷（联络巷）的支护布置如图2所示。

图2  支护布置图

2.3  工作面过空巷时的载荷估算

当工作面过空巷时，将会形成如图3所示的工作面液压支架、巷道支架和顶、底板岩层共同作用的力学平衡体系。要估算空巷的支护载荷，首先必须考虑工作面支架——围岩力学系统是否能维持力学平衡。

图3  力学平衡结构

按照以往的矿压观测结果，周期来压步距一般为20～25m，老顶厚度为10.28m，直接顶厚度4.79m，支架的工作阻力为7265kN/ 架，宽度1.75m，则绕前端老顶断裂点的顺时针作用力矩为:

M₀  = （1/2） ×1.75×10.28×25×2.5×25/2+1.75×4.79×12×2.5×12/2

          = 85.36 MN·m.

绕前端老顶断裂点的逆时针阻力矩为：

M₀′ = 726.5×8.5+（1/2） ×1.75×10.28×25×2.5×（1/3） ×18.5

             = 96.42 MN·m.

    因此，支架——围岩阻力和作用力的力矩关系为M₀′> M₀，即支架和冒落矸石的阻力力矩大于老顶的下沉转动力矩，过空巷的顶板岩层大结构按最危险情况考虑，是能维持自身平衡的。

    过空巷的最大问题就是维持采场范围内直接顶的支护以及稳定，此时空巷的支护载荷可按直接顶自重考虑。

    据此分析，空巷空间需要的支护载荷为：

     q_x   = 0.025×4.79

        = 0.12 MPa.

2.4  工作面过空巷时的实际支护载荷以及安全程度评估

按照补连塔煤矿首采工作面的空巷实际支护技术参数，其支护强度为：

q^’_s = （3×27+4×5）/（5×1.75）

    = 0.115 MPa.

因此，空巷的实际支护强度与所需的支护强度基本相当，即q^′_s = q_x 。分析表明，补连塔煤矿首采工作面过空巷（联络巷）时处于极限的临界安全状态。

有鉴于此，在工作面过空巷时，建议密切观察空巷顶板的稳定状态，以便及时采取必要的加强支护措施，切实保障综采面在空巷范围内推进时的安全性。

    再综合考虑工作面的调斜过空巷措施，只要采取措施得力，加快过联络巷时的推进速度，是可以保障生产安全的。

2.5  根据井下顶板钻孔探测，空巷的支护方案

通过通道附近施工的顶板结构探测孔可知，直接顶泥岩厚度4.4m，RQD = 60%；老顶为细砂岩，厚度9.29m，RQD = 45%。此探测结果与B226钻孔资料相吻合，只是老顶的岩性稍有变化。原钻孔为中砂岩，现为细砂岩，厚度也基本相同。

由此可见，按照B226钻孔柱状所进行的有关老顶平衡结构的分析大致正确，当工作面支架为8000kN，周期来压步距为16～20m时，采场顶板的大结构——老顶结构在工作面支架的阻力作用下是能维持自身平衡的，这是安全通过空巷的前提条件。在此条件下，当工作面通过空巷时，空巷的稳定主要取决于直接顶板的稳定。

按照上述计算，当采用如图2所示的支护布置时，空巷支护处于极限安全状态。为保证工作面安全通过空巷，建议在锚杆支护排加打2根锚索，长度6.5m，将可以锚固到稳定岩层中，其他设计参数与原设计相同，见图3。

此时，空巷支护强度为：

q^′_s = （5×27+4×5）/（5×1.75）

   = 0.18 MPa.

因此，空巷的实际支护强度安全系数为1.5。分析表明，按照图3的空巷（联络巷）支护，是可以保证支护安全的。

3  结语

     由于掘进时联络巷与工作面所成角度的不同以及顶板岩性的不同，所采用的支护方式也各不相同。随着科学技术及试验手段的不断发展，岩石应力分析理论也会得到进一步完善，对顶板岩石采动的理论分析与计算将会更加切合实际，对生产的指导作用也会越来越大。