回采巷道超前支护走向布置方案的论证
王瑜 单雄龙
[汾西矿业集团 贺西煤矿，山西 柳林 033300]
摘 要 采煤工作面进风巷和回风巷连接处称为端头，是采煤工作面十分重要的顶板控制地段。为了保证该地段的顶板安全，就其超前支护的走向布置形式进行了全面的论证。论证结果表明，超前支护采用平行巷道走向布置更优于垂直巷道走向布置的超前支护。
关键词 超前支护 平行 垂直 支护 布置 比较
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1 引 言
随着煤矿开采深度的增加，矿山压力对井下工程的影响也不断增大，开拓巷道、掘进巷道、回采巷道都受到不同程度的影响。其中回采工作面的材、运两巷受采空区的影响特别突出。随着回采工作面的推进，采空区的压力也伴随前移，如图1所示。
图1 工作面推进时采空区压力曲线
工作面支架和煤壁始终承受来自采空区的最大顶板压力。其中煤壁对工作面的支撑起着主导作用。工作面煤壁的受力分布图如图2所示。
图2 工作面煤壁的受力分布
由图2可以看出，工作面的中间部分煤壁承受着最大顶板压力，压力由中间向两侧慢慢降低。虽然紧靠材、运两巷煤壁的顶板压力相对较小，但还是对材、运两巷的超前支护段巷道造成较大影响，主要表现在顶板下沉、底板鼓起、巷道变形缩小，支护材料回收、复用率降低，损耗率上升，成本增加。
一般材巷的超前支护段采用垂直巷道走向布置超前支护（以下简称垂直支护）或平行巷道走向布置超前支护（以下简称平行支护）两种支护支护形式，本文就这两种形式的支护效果和效益进行分析。
2 布置方案
根据《煤矿安全规程》，一般情况下，采煤工作面上下两巷超前支护形式为铁梁配合单体液压支柱配套使用。一梁三柱或四柱，柱距0.8～1.0m，排距1.0～1.2m。布置方式有垂直于巷道走向布置和平行于沿巷道走向布置2种。
假设巷道宽4m，使用4m的π型梁、3.15m单体液压支柱，支护参数一梁四柱，柱距1m，排距1m进行支护，超前支护段20m。
（1）平行支护
π型梁沿巷道平行方向布置，架设时第一架梁从保护煤柱侧与煤帮保持100mm的距离。架设第二架时，根据《煤矿安全规程》，安全出口的宽度必须为1m，所以与第一架保持距离为1m。架设第三架时根据《煤矿安全规程》取梁间距为0.75m，第四架依次架设，第五架与煤壁保持100mm的距离。每架梁架设5根单体液压支柱，依次是梁头、中间梁尾支柱间距1m架设。平行支护如图3所示。
图3 超前支护平行于巷道走向布置示意图
（2）垂直支护
π型梁垂直巷道布置，架设时根据《煤矿安全规程》，梁间距取0.86m。第一根支柱与煤壁保持100mm的距离，第二根开始依次架设柱距为1m，第五根与煤壁保持100mm的距离。每架梁架设5根单体液压支柱，依次是梁头、中间、梁尾。垂直支护如图4所示。
图3 超前支护垂直于巷道走向布置示意图
3方案比较
3.1 超前支护对顶板的初撑力
3.1.1 总初撑力
两种支护方式所用的支护材料数目相同，对顶板提供的总初撑力也相同。
3.1.2 从巷道中线到工作面煤壁侧顶板的初撑力
①平行支护，3架π型梁支护顶板提供初撑力为429.75MPa/m2，支护面积8m2，每1m?提供53.72 MPa的初撑力。
②垂直支护，5架π型梁支护顶板提供初撑力为358.125MPa/m2，支护面积8m?，每1m2提供44.77 MPa的初撑力。
由此可见，每1m?平行支护初撑力是垂直支护初撑力的1.2倍。
3.1.3 从巷道中线到保护煤柱侧顶板的初撑力
①平行支护，3架π型梁支护顶板提供初撑力286.5MPa/m2，支护面积8m?，每1m?提供35.81 MPa的初撑力。
②垂直支护，5架π型梁支护顶板提供初撑力358.16MPa/m2，支护面积8m?，同样每1m?提供初撑力44.77 MPa。
平行巷道走向布置是垂直巷道走向布置的0.8倍。
3.1.4 两种支护方式对顶板的支护情况
①平行支护从巷道中线到工作面煤壁侧顶板的初撑力是巷道中线到保护煤柱侧顶板初撑力的1.5倍。
②垂直支护初撑力分布均匀。
3.2 顶板压力对超前支护的承压影响
工作面中间部分的煤壁承受着最大顶板压力，压力由中间向两侧慢慢降低。顶板对巷道的压力从工作面侧到保护煤柱侧压力逐步较小。同理从保护煤柱侧到工作面侧顶板下沉量不断增加。
根据测试（图4）表明：随着回采工作面的推进，煤壁上覆岩层受力状态发生着变化。煤层位移开始于煤壁前方20m处，随工作面的接近，其形变量逐渐增大，到8m处较为明显，距煤壁4m处急剧增加，顶板下沉严重，顶板破碎度增大。
图4 煤层覆盖岩石移动曲线
平行支护承受顶板压力时靠工作面侧的π型梁承受的压力要比靠煤柱侧的π型梁承受的压力大的多，但是π型梁的支护方向与巷道走向平行，顶端部与梁中部承受压力近似相同，π型梁随着顶板整体下沉。
垂直支护承受顶板压力时靠工作面侧的π型梁承受的压力要比靠煤柱侧的π型梁承受的压力大的多，但是π型梁的支护方向与巷道走向垂直，煤柱侧梁端部到工作面梁端部π型梁受力递增，随着顶板下沉π型梁发变形甚至断裂。
3.3 对支护材料回收率、复用率的影响
3.3.1 平行支护
①由于π型梁平行巷道走向布置，巷道变形不会对回收造成影响。
②由于每根梁上的各个受力点承受压力近似相同，形变量不大，可以复用无需检修。
3.3.2 垂直支护
①在回采过程中顶板压力越来越大，巷道围岩压力增大巷道发生变形，巷道宽度慢慢变窄π型梁插入巷道两帮回收困难，插入两帮较深时放弃回收。
②由于每根梁上的各个受力点承受压力差异较大变形较大无法继续使用需出井维修，变形严重时会发生断裂。
3.4 对顶板支护效果的影响
3.4.1 平行支护
超前支护与钢筋圈梁、w型钢带形成“十字”交叉。π型梁最大间距1m，钢筋圈梁间距0.8m，w型钢带间距2.4m未支护顶板面积不超过0.8m?，最大跨度1m。
在回采过程中矿山压力越来越大，巷道围岩压力增大，巷道发生变形巷道，高度、宽度变小，超前支护在循环过程π型梁间距会随着巷道宽度变小，大大增加了顶板的完整性有利于顶板支护。
3.4.2 垂直支护
超前支护与钢筋圈梁、w型钢带平行布置。π型梁最大间距0.86m，钢筋圈梁间距0.8m，w型钢带间距2.4m未支护顶板面积不超过2.24m2，最大跨度4m。
在回采过程中矿山压力越来越大，巷道围岩压力增大，巷道发生变形，巷道高度、宽度变小，超前支护在循环过程中随着巷道宽度变小，及时更换相应长度的π型梁2～3次。
3.5 对超前支护工艺流程及工效的影响
3.5.1 平行支护
在回采过程中，为保证超前支护20m范围内顶板的稳定性，架设6大组π型梁支护距离24m，如下图5所示。
图5 平行支护时护顶梁布置
从工作面开始最靠近工作面的编号为1#组，依次为2#～6#组，回采过程中，1#组的π型梁依次向工作面推进方向前移，与2#组的π型梁交叉，当1#组的π型梁与2#组的π型梁完全交叉在一起时，2#组变为1#组，后面依次变换，1#组支护材料转移到离工作面最远侧，架设成为6#组循环进行。
π型梁前移时，先将3～4个滑轮钩由π型梁下方向上钩在在顶板的铁丝网上，将支柱全部下降后π型梁全部压在滑轮上，只需将π型梁前移到规定的步距后重新支护，空顶出架设临时点柱及完成。平均生产2个班向外搬运一次。
每班2个端头工可完成当班工作。
顶板压力较大时，增加支护材料较为方便。
2#组支护范围内的支护材料对顶板的初撑力是其它超前支护的1.1～1.9倍。
3.5.2 垂直支护
①在回采过程中，超前支护布置如下图6所示。
图6 垂直支护时护顶梁布置
随着工作面前移依次拆除支护材料转移到超前支护外。
拆除、转向搬运π型梁时，需3个端头工配合完成。
顶板压力较大时，增加支护材料较为困难。
4 结 论
①两种支护方式对顶板的总初撑力相同。
②从巷道中线到工作面煤壁侧顶板的初撑力，平行支护是垂直支护的1.2倍。靠煤壁侧压力增加对顶板的支撑力也相应增大。
③从巷道中线到保护煤柱侧顶板的初撑力，平行支护是垂直支护的0.8倍。靠保护煤柱侧压力减小对顶板的支撑力也相应减小，对巷道顶板整体影响较小。
④平行支护对支护顶板受力分布更加合理。
⑤平行支护对支护材料的回收和复用率较高。
⑥平行支护与钢筋圈梁、w型钢带形成“十字”交叉，未支护顶板面积不超过0.8m2，最大跨度1m；垂直支护未支护顶板面积不超过2.24m2，最大跨度4m。
⑦超前支护在循环过程中随着巷道宽度变小及时更换相应长度的π型梁2～3次增加了工序和人工。
⑧平行支护2#组支护范围内的支护材料对顶板的初撑力是垂直支护的1.1～1.9倍。
⑨工艺及工效方面平行巷道走向布置更加合理。
通过以上论证，材巷的超前支护采用平行支护布置优于垂直支护布置。
参考文献
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钱鸣高．矿山压力及其控制[M]．北京：煤炭工业出版社，2005．
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袁河津．煤矿安全规程-专家解读井工煤矿 [M]．中国矿业大学出版社．
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谢明荣．矿压测控技术[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1997．
第一作者简介 王瑜（1984-），男，汉族。现任汾西矿业集团贺西煤矿生产科副科长。
（收稿日期：2019年04月27日；责任编辑：黄 翔）
