綜放開采回采巷道超前支護優化研究

郝文敏

(山西汾西正文煤業有限責任公司，山西 孝義 032300)

綜放工作面具有產量高、效益好等優點，但是回采過程中引起的采動壓力顯現更為顯著、超前支承壓力影響范圍更大[1-2]。在采面超前支承壓力影響范圍內，需采取超前支護措施確定回采巷道圍巖穩定，為通風、行人及運輸等創造良好條件[3-5]。眾多的工程技術人員及學者對綜放開采回采巷道超前支護技術展開研究，李建成等[6]提出了一種用于回采巷道超前支護的探式支架；盧前明等[7]針對三軟煤層回采巷道在采動壓力作用下圍巖控制困難問題，基于先讓壓后進行二次加固原則對巷道圍巖進行控制，并依據現場情況設計工字鋼、三節梁、輔助梁等支護設備布置參數。現階段礦井回采巷道超前支護方式以液壓支架、單體配合鉸接鋼梁方式為主，現場普遍存在安全性低、工作人員勞動強度大等問題，對綜放工作面大斷面回采巷道適應性差。為此，本文對采面現采用的超前支護方式存在問題進行分析，并提出超前支護優化措施，以期在一定程度上提升采面超前支護效率及安全保障能力。

1 工程概況

山西某礦井田面積為15.65 km2，15305綜放工作面位于3采區，回采15號煤層，煤厚5.3 m，煤質為發熱量高、灰分及硫分均較低的優質動力煤，采面設計走向推進長度997 m、斜長189.8 m。

2 存在問題分析

2.1 超前支護工藝

回采范圍內15號煤層頂底板巖性如表1所示。15305綜放工作面回采巷道圍巖采用錨桿+鋼帶+錨索+鋼筋梯子梁+塑料網支護方式，支護斷面如圖1所示。支護錨桿為D20 mm×2 400 mm螺紋鋼，間排距700 mm×2 000 mm，預緊力50 kN；錨索為D21.6 mm×7 500 mm鋼絞線，間排距1 200 mm×2 000 mm，施加150 kN以上預緊力；梯子梁采用16號圓鋼焊接，長度2 500 mm、寬度80 mm，梯子梁安裝間距為2 000 mm；鋼帶長度4 000 mm、帶距2 000 mm，在鋼帶上有開孔便于錨桿安裝。根據采面回采作業規程，回采巷道超前支護采用單體+鉸接鋼梁方式，在采面前方20 m范圍內按照一梁三柱方式布置，柱間距為1 000 mm、梁間距為1 000 mm；在超前采面前方20～50 m范圍在靠近采面幫布置1排單體，按照2 000 mm柱間距支護頂板。

表1 15號煤頂底板巖性參數

圖1 巷道支護斷面圖(mm)

2.2 超前支護存在的問題

1) 15305綜放工作面回采巷道超前支護段采用原有支護系統、單體支護配合對圍巖進行控制。單體支護為被動支護，同時支護面積較小，容易導致巷道頂板下沉，同時反復支撐容易導致頂板巖層破碎。

2) 超前支護使用的單體型號為DZ型，類型包括3.5 m、4.0 m、4.2 m，單根單體重量普遍超過80 kg，單體搬運勞動強度大；生產時甚至需要在準備班安排6～7名工作人員前移單體，用工數量多，勞動強度大，在一定程度上影響超前支護效率。

3) 采面回采巷道高度一般在3.2 m，但是局部存在超高段，巷高達到4.0 m，超高段超前支護時工作人員需要登高作業，安全系數低，坑木消耗量較大。

4) 通過適當增加單體布置柱距及排距，雖然可提高回采巷道頂板支護強度，但是會占用超前支護段巷道內空間，導致巷道有效通風面積降低，影響通風效率。

3 超前支護優化

3.1 超前支護優化方案

根據15305綜放工作面回采范圍內煤層賦存特征、巷道支護參數以及現有超前支護存在的問題，提出了在采面回采巷道超前支護段采用注漿錨索代替部分單體支柱對頂板進行支護的方案。結合鄰近礦井15號煤層綜放工作面超前支護設計，具體優化前后的回采巷道超前支護斷面如圖2所示。

圖2 優化前后超前支護斷面(mm)

采面前方0～20 m超前支護區采用單體+注漿錨索方式進行超前支護。單體沿巷道中心線布置1排，單體柱間距為2 000 mm。在鄰近的2根單體之間布置1排注漿鉆孔，注漿鉆孔共計3個，巷道中線位置1個、與巷幫間距1 200 mm位置各1個；注漿錨索均為規格D22 mm×7 500 mm的中空錨索，注漿漿液為水泥單液漿，注漿壓力均為5 MPa。具體注漿錨索結構如圖3所示，技術參數見表2。

圖3 中空注漿錨索結構示意

表2 中空注漿錨索技術參數

3.2 超前支護優化效果

為掌握優化后超前支護段圍巖支護效果，在超前支護段采用鉆孔窺視儀(型號LHGX-K3)窺視頂板裂隙擴展情況。具體鉆孔窺視成果如圖4所示。

圖4 鉆孔窺視成果圖

超前支護段測點在遠離采面位置處時，由于受采動影響較小，頂板巖體裂隙不發育、完整性較高；隨著采面與測點間距不斷減小，頂板裂隙擴展程度呈增加趨勢，測點距采面10 m時頂板3 m、5 m位置巖體中發育有5～10 mm裂隙，頂板破碎程度有所增加；當測點距采面1 m時，頂板3 m、5 m位置巖體中裂隙發育寬度增加至10～20 mm，頂板巖體破碎程度明顯增加。雖然在采動作用下頂板裂隙發育程度增加，通過注漿錨索及單體采面超前支護段圍巖始終保持穩定。監測發現，采用單體+注漿錨索超前支護方式時，超前支護段頂板最大下沉量控制在65 mm以內，下沉量整體較小。

超前支護用注漿錨索支護，提高了巷道頂板巖體穩定性及支護體系強度；單體提高了超前支護段支護剛度。通過對超前支護進行優化，可明顯減少單體支柱使用量以及作業人員勞動強度，同時可增加巷道超前支護段通風面積，改善通風效果。

4 結 語

1) 文中對15305綜放工作面回采巷道超前支護現狀及存在問題進行分析，采面現采用的超前支護方式雖然可滿足圍巖控制需要，但是由于超前支護段單體布置間排距較小、占用巷道斷面大，導致超前支護面臨勞動強度大、通風有效范圍小等問題，給采面瓦斯治理工作開展帶來一定影響。

2) 提出綜合使用單體+注漿錨索方式支護圍巖，通過注漿提高超前支護段巷道頂板穩定性及承載能力，同時提升原有支護系統圍巖控制效果；在巷道中線布置1排單體，提高頂板表面支護作用力。依據現場情況對超前支護方案進行設計，并進行工程應用。結果表明，對巷道超前支護進行優化后，在超前支撐影響區內巷道頂板完整性較強，回采期間頂板最大下沉量控制在65 mm，取得了較好的超前支護效果。