綜放工作面回采巷道超前支護技術優化探析

李汝俊

（晉能控股煤業集團侯甲煤礦，山西晉城 048105）

綜放開采具有較高的產量和較好的效益，但在回采過程中，采動壓力的顯現更加明顯，超前支承壓力的作用范圍也較大。在采面超前支撐壓力的作用下，為了保證回采巷的圍巖穩定性，須采用超前支護措施，以保證巷道的通風、行人和運輸。工程技術人員針對超前支護技術進行了研究，并取得了大量的研究成果。李建成等[1]提出了一種用于回采巷道超前支護的探式支架；盧前明等[2]根據三軟煤層回采過程中受采壓影響的特點，采用“先讓壓后二次補強”的原理，提升巷道圍巖的控制水平，根據實際條件，采用工字鋼、三段梁、輔助梁等輔助結構的施工工藝，并進行參數設置。目前，煤礦回采巷道支護主要采用液壓支架、單體配合鉸鏈的形式，但目前煤礦生產中普遍存在著安全性低、勞動強度大的問題，且對大截面回采巷的適應性較差。因此，分析了目前采面的超前支護方法存在的問題，并提出了相應的優化支護方案，從而提高了采面超前支護的效果和安全保障能力。

1 工程概況

山西煤礦的礦區面積達15.65km2。15305 綜放工作面位于3 個礦區，開采煤層為5#煤層，煤體為一種富含高發熱量、灰分和硫的優質動力煤，其開采方向為997m，斜長189.8m。

2 存在問題分析

2.1 超前支護工藝

表1 對15 號煤層各部分的巖性進行了詳細的分析。15305綜放工作面的回采區，采取了錨桿+鋼條+錨索+鋼筋混凝土梁+塑料網的支撐結構，其支撐截面見圖1。支護錨桿由D20mm×2400mm 的螺紋鋼構成，間距700mm × 2000mm，預緊力50kN；該纜繩采用D21.6mm×7500mm 的鋼絲，間距1200mm×2000mm，并施加超過150kN 的預張力；梯形梁由16#圓鋼條焊接而成，長度2500mm，寬度80mm，安裝間隔2000mm，帶材長度4000mm，間距2000mm，帶上有開口，方便固定。依據采面開采技術規范，回采巷道支護采取單梁+鉸鏈的形式，以一梁三柱的形式在采面前20m 處排列，立柱間距1000mm，梁間距1000mm；在開采面前面20～50m 處，在采面附近設置1 列單體，以2000mm 的柱距支撐頂[1]。

圖1 巷道支護斷面圖(mm)

表1 15號煤頂底板巖性參數

2.2 超前支護存在的問題

（1）15305綜放區回采預采巷道支護采取了原支護體系和單體支護組合的方法來進行圍巖的控制。采用單一支護方式，且支護區域不大，很可能造成巷道的頂板沉降，而且多次支護很可能造成頂板破裂。15305綜放區回采預采巷道支護采取了原支護體系和單體支護組合的方法來進行圍巖的控制。采用單一支護方式，支護區域不大，很可能造成巷道的頂板沉降，而且多次支護很可能造成頂板破裂。

（2）采用DZ 系列的先期支護形式，規格有3.5m、4.0m、4.2m，單體質量一般都在80kg 以上，單個作業的工作量較大。在實際搬運中需要6～7個工作人員進行合作，一方面是需要付出大量的勞動，一方面造成支護效率的大幅度下降。

（3）綜采后采巷道通常為3.2m，但也有一些超高段煤層，高度約為4m，在超高段支護中，工人必須在高處進行施工，危險性較大，還需要消耗較多的坑木。

（4）采用合理增大單體布置柱距及排距的方式，可以提高回采巷的頂板支護能力，但會對超前支護段巷道的內部空間造成一定的限制，從而減少了巷道的通風效果。

3 超前支護優化

3.1 超前支護優化方案

根據對15305綜放開采區的煤層賦存特征、巷道支護參數存在的問題進行研究，結合當前的支護技術，提出了在回采巷道的預支護階段，用注漿錨固支護取代局部支護的方法。根據相鄰煤礦15#煤的綜放面的預支護方案，對回采巷道進行了優化，并給出了相應的預支護方案，優化后的方案如圖2所示。

圖2 優化前后超前支護斷面(mm)

在采前0～20m的超前支護區域，采取了單體+注漿錨索的預支護。單體在巷道中軸線上排列成一列，每列間隔2000mm。在相鄰兩個相鄰單元間設置1 個注漿孔，共3 個注漿孔，1 個位于巷道中線位置，1 個與巷幫間隔1200mm；所有的灌漿用直徑為D22mm×7500mm的空心錨桿，灌漿泥漿采用單液漿，灌漿壓力5MPa。具體的注漿錨固結構見圖3，其技術指標見表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

為了了解優化后的超前支護段圍巖的支護效應，在預應力段應用了LHGX-K3型的鉆探探頭，觀察了洞室裂縫的變化情況。圖4顯示了窺探結果[2]。

圖4 鉆孔窺視成果圖

在距采面較遠的地方，超前支護段測點受采動的影響較小，頂板裂縫不發育，完整性較高。隨著采面距離測點的距離的縮短，頂板裂縫的擴大程度逐漸增大，測點距采面10m 時，頂板3m、5m 處的巖石中存在5～10mm的裂縫，頂板的破裂程度增大；在測點距采場1m處，3m、5m處的裂隙發育寬度增大到10～20mm，頂板的破裂程度顯著提高[3]。盡管在開采過程中，頂板裂縫的發展程度有所提高，但采用注漿錨索和單采工作面超前支護段圍巖仍能維持較好的穩定性。監測結果表明：單樁+注漿錨索超前支護方案，超前支護段的最大下沉量為65mm，總體下沉量較小。

在采用注漿式錨桿的情況下，采用預應力錨桿進行超前支護，以改善頂板的穩定和支撐系統的強度，采用單層結構可有效地改善預應力支護結構的剛性。對預支護結構進行了優選，可以顯著降低單個支撐的使用率和工人的勞動強度，提高了預支護巷的通風面積，提高了礦井的通風效率[4]。

4 結語

（1）本文對15305綜放區回采巷道的超前支護情況和問題進行了研究，指出了目前開采面的超前支護方法能夠有效地控制圍巖，但是在結構上存在一定的弊端，如支護段單體的分布過于緊密，占用較大的巷道空間，同時需要投入大量勞動力，縮小有效通風范圍，對瓦斯治理工作帶來了一定的阻礙。

（2）建議采用單一、錨固結合的方法，采用注漿法對圍巖支護段巷進行加固，以改善其支護體系的圍巖控制作用。為了增強頂板支護力，在中線上設置1列單體。根據施工現場條件，制定了預應力支撐的方案，并將其運用于工程中。研究發現，通過對預支護方案的優化，內巷道頂板在預支撐影響區具有很好的穩定性，開采過程中，最大下沉深度為65mm；采用了預應力錨桿，獲得了良好的超前支護效果。