采煤工作面超前段圍巖變形控制技術研究

岳 華

（山西焦煤汾西礦業集團有限責任公司高陽煤礦，山西 孝義 032306）

引言

隨著礦井采掘深度及開采強度增加，回采巷道圍巖控制難度不斷加大，特別是回采巷道受多次采動壓力影響時圍巖控制困難[1-2]。采煤工作面超前支護段在采空區側向壓力以及采面超前支承壓力等共同作用下，煤巖體破碎且圍巖變形量大[3]?，F階段礦井采煤工作面常用的超前支護措施以單體支柱、工字鋼等構成的邁步式架棚為主，存在支護強度小、勞動強度大等問題[4-5]。注漿是提高破碎煤巖體穩定性以及承載能力主要技術手段，超前支架具有支護范圍長、支護強度大以及自動化程度高等優點[6]。為此，本文以山西某礦3507 回風巷超前支護為工程實例，針對回風巷在多次采動壓力作用下出現圍巖破碎、變形嚴重問題，提出綜合使用注漿、超前支架等措施對超前段圍巖進行控制，現場應用取得較好成果。

1 3507 回風巷概況

山西某礦3507 回風巷主要服務于采面回風、行人，3506 工作面開采的5 號煤層埋深介于390～420 m，煤層傾角介于5°～8°，厚度3.5 m，賦存穩定，為全區可采煤層。3507 回風巷沿著5 號煤層頂板掘進，煤層頂底板以泥巖、細粒砂巖以及砂質泥巖等為主，具體頂底板巖性參數見表1。

表1 5 號煤層頂底板巖性

具體3507 回風巷位置如圖1 所示，巷道兩側分別為3505 采面回風巷、3507 瓦斯抽采巷，留設的護巷煤柱寬度分別為20 m、15 m。3507 回風巷設計斷面為矩形，圍巖采用錨網索支護工藝，設計掘進長度為1 926 m。3507 回風巷受鄰近巷道掘進以及3505 采面回采影響較為明顯，巷道圍巖裂隙。在3507 工作面回采期間，超前支護段圍巖裂隙發育，圍巖變形量大、超前支護難度高。

圖1 3507 回風巷位置示意圖

2 超前支護段圍巖變形特征及受力分析

2.1 圍巖變形特征

3507 回風巷受到臨近的3505 采面采動、采面瓦斯巷掘進以及后續3507 采面回采引起的采動壓力等綜合影響，在多次采掘壓力影響下3507 回風巷圍巖裂隙發育。現場監測發現，3507 回風巷在采面超前50 m 范圍內圍巖出現明顯收斂，在超前采面20 m 以內范圍時巷道頂底板收斂量最大可達到700～1 200 mm、兩幫收斂量可達到1 850～2 200 mm?；仫L巷超前段圍巖變形嚴重給巷道正常使用帶來較大制約。

2.2 圍巖受力分析

采用數值模擬技術方法對3507 回風巷圍巖受力情況進行模擬分析，具體模擬結果如下頁圖2 所示。從圖2 中看出，采面瓦斯以及回風巷掘進后回風巷周邊出現一定程度應力集中，應力峰值最大可達到10.3 MPa，應力集中系數約為1.2，具體應力分布云圖如圖2-1 所示；鄰近的3505 工作面回采期間，在開采引起的超前支承壓力作用下3507 回風巷圍巖中應力峰值最大可達到25 MPa，應力集中系數約為2.91，具體應力分布云圖如圖2-2 所示；在3505 工作面采空區后方，受到采空區頂板彎曲、下沉引起的側向應力在煤柱內集中，應力峰值可達到56 MPa，應力集中系數約為6.53，具體應力分布云圖如圖2-3 所示；在3507工作面回采后，回采引起的超前支承壓力與鄰近3505 采空區側向應力疊加，導致圍巖應力進一步集中，最大應力可達到86 MPa，應力集中系數約為10.02，具體應力分布云圖如圖2-4 所示。從模擬結果看出，3507 回風巷圍巖應力集中，在采動作用下圍巖裂隙發育，從而導致圍巖變形量較大、控制難度高。

圖2 3507 回風巷圍巖受力模擬結果

3 超前支護技術應用

由于3507 回風巷圍巖應力集中、裂隙發育，為此提出綜合注漿、超前支架對回風巷超前段進行支護。

3.1 超前注漿

在3507 回風巷內進行超前注漿，通過注漿封堵裂隙并提高巷道圍巖整體強度及穩定性，降低圍巖整體變形量。注漿材料選擇使用化學注漿材料GRT-101，該注漿材料具備滲透性強、固結效果明顯等特點，注入到圍巖裂隙中后可有效減少圍巖變形量。在巷道頂板、巷幫均布置注漿鉆孔，在巷幫位置距離巷道頂板1 000 mm 位置按照10°～15°仰角施工注漿鉆孔、在距離巷道底板600 mm 位置按照10°～15°俯角施工注漿鉆孔，巷幫布置的注漿鉆孔孔深統一為6 000 mm，鉆孔按照2 000 mm 間距布置；在巷道頂板靠近巷道中部布置2 排注漿鉆孔，鉆孔孔深均為6 000 mm、間距為2 000 mm。注漿按照先巷幫后頂板順序施工，采用中孔注漿錨索配合注漿。

注漿期間注漿壓力控制在6～8 MPa，單孔注漿量控制在150～260 kg，并依據現場實際情況調整終孔注漿壓力以及注漿量。

3.2 超前支架支護

對3507 回風巷超前支護段圍巖注漿加固后，綜合采用ZH3200/25/45 超前支架對巷道進行超前支護，具體采用的超前支架技術規格見表2?；仫L巷超前支護段使用的超前支架包括4 架，支架移架步距為800 mm，鄰近支架間有油缸可實現防倒、偏斜、自動移架等功能；同時支架結構為窄型四連桿，可滿足狹小空間巷道通風需要，降低巷道期間液壓支架通風阻力。

表2 超前支架規格參數

在超前支護時對回風巷內原有的支護體系中失效的錨桿、錨索及附屬配件等進行更換，充分發揮原有的支護體系效果；超前支架與新施工的注漿錨索共同配合對回風巷超前支護段圍巖變形進行控制。具體現場采用的超前支架布置情況如圖3 所示。

圖3 超前支架布置示意圖

4 采面超前段圍巖控制效果分析

3507 回風巷綜合使用注漿、超前支架對圍巖進行支護，為考察圍巖控制效果，采用“十字法”對巷道表面圍巖收斂量進行監測，具體監測結果如圖4 所示。從監測結果看出，在超前支護段圍巖變形量隨著與采面距離減小呈增加趨勢，在超前采面50 m 以外區域巷道圍巖基本不出現變形；在超前支護段回風巷頂底板、兩幫最大收斂量分別控制在114 mm、121 mm以內，圍巖變形量整體較小，可滿足回風巷使用需求。

圖4 圍巖變形量監測結果

5 結論

1）3507 回風巷超前支護段受到鄰近3505 采面采動壓力、采空區側向應力以及3507 工作面采動壓力多重影響，圍巖應力集中、裂隙發育，回風巷圍巖裂隙發育、圍巖應力集中，從而使得后續圍巖變形量大、支護難度高。

2）在對3507 回風巷圍巖變形特征以及圍巖應力分布分析基礎上，提出綜合使用超前注漿、超前支架對巷道進行支護，并依據現場實際情況對超前注漿方案、超前支架布置等進行設計。

3）現場工程應用后，3507 回風巷超前支護段圍巖變形得以有效控制，監測期間頂底板、兩幫收斂量分別控制在114 mm、121 mm 以內，同時采用的超前支架支護強度大、自動化程度高，可有效減少作業人員勞動強度。