綜放開采回采巷道超前支護(hù)優(yōu)化研究

郝文敏

(山西汾西正文煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300)

綜放工作面具有產(chǎn)量高、效益好等優(yōu)點(diǎn)，但是回采過程中引起的采動(dòng)壓力顯現(xiàn)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(nèi)，需采取超前支護(hù)措施確定回采巷道圍巖穩(wěn)定，為通風(fēng)、行人及運(yùn)輸?shù)葎?chuàng)造良好條件[3-5]。眾多的工程技術(shù)人員及學(xué)者對(duì)綜放開采回采巷道超前支護(hù)技術(shù)展開研究，李建成等[6]提出了一種用于回采巷道超前支護(hù)的探式支架；盧前明等[7]針對(duì)三軟煤層回采巷道在采動(dòng)壓力作用下圍巖控制困難問題，基于先讓壓后進(jìn)行二次加固原則對(duì)巷道圍巖進(jìn)行控制，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)計(jì)工字鋼、三節(jié)梁、輔助梁等支護(hù)設(shè)備布置參數(shù)?，F(xiàn)階段礦井回采巷道超前支護(hù)方式以液壓支架、單體配合鉸接鋼梁方式為主，現(xiàn)場(chǎng)普遍存在安全性低、工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，對(duì)綜放工作面大斷面回采巷道適應(yīng)性差。為此，本文對(duì)采面現(xiàn)采用的超前支護(hù)方式存在問題進(jìn)行分析，并提出超前支護(hù)優(yōu)化措施，以期在一定程度上提升采面超前支護(hù)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(qū)，回采15號(hào)煤層，煤厚5.3 m，煤質(zhì)為發(fā)熱量高、灰分及硫分均較低的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤，采面設(shè)計(jì)走向推進(jìn)長(zhǎng)度997 m、斜長(zhǎng)189.8 m。

2 存在問題分析

2.1 超前支護(hù)工藝

回采范圍內(nèi)15號(hào)煤層頂?shù)装鍘r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(wǎng)支護(hù)方式，支護(hù)斷面如圖1所示。支護(hù)錨桿為D20 mm×2 400 mm螺紋鋼，間排距700 mm×2 000 mm，預(yù)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(yù)緊力；梯子梁采用16號(hào)圓鋼焊接，長(zhǎng)度2 500 mm、寬度80 mm，梯子梁安裝間距為2 000 mm；鋼帶長(zhǎng)度4 000 mm、帶距2 000 mm，在鋼帶上有開孔便于錨桿安裝。根據(jù)采面回采作業(yè)規(guī)程，回采巷道超前支護(hù)采用單體+鉸接鋼梁方式，在采面前方20 m范圍內(nèi)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(hù)頂板。

表1 15號(hào)煤頂?shù)装鍘r性參數(shù)

圖1 巷道支護(hù)斷面圖(mm)

2.2 超前支護(hù)存在的問題

1) 15305綜放工作面回采巷道超前支護(hù)段采用原有支護(hù)系統(tǒng)、單體支護(hù)配合對(duì)圍巖進(jìn)行控制。單體支護(hù)為被動(dòng)支護(hù)，同時(shí)支護(hù)面積較小，容易導(dǎo)致巷道頂板下沉，同時(shí)反復(fù)支撐容易導(dǎo)致頂板巖層破碎。

2) 超前支護(hù)使用的單體型號(hào)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(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度大；生產(chǎn)時(shí)甚至需要在準(zhǔn)備班安排6～7名工作人員前移單體，用工數(shù)量多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，在一定程度上影響超前支護(hù)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(dá)到4.0 m，超高段超前支護(hù)時(shí)工作人員需要登高作業(yè)，安全系數(shù)低，坑木消耗量較大。

4) 通過適當(dāng)增加單體布置柱距及排距，雖然可提高回采巷道頂板支護(hù)強(qiáng)度，但是會(huì)占用超前支護(hù)段巷道內(nèi)空間，導(dǎo)致巷道有效通風(fēng)面積降低，影響通風(fēng)效率。

3 超前支護(hù)優(yōu)化

3.1 超前支護(hù)優(yōu)化方案

根據(jù)15305綜放工作面回采范圍內(nèi)煤層賦存特征、巷道支護(hù)參數(shù)以及現(xiàn)有超前支護(hù)存在的問題，提出了在采面回采巷道超前支護(hù)段采用注漿錨索代替部分單體支柱對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)的方案。結(jié)合鄰近礦井15號(hào)煤層綜放工作面超前支護(hù)設(shè)計(jì)，具體優(yōu)化前后的回采巷道超前支護(hù)斷面如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前后超前支護(hù)斷面(mm)

采面前方0～20 m超前支護(hù)區(qū)采用單體+注漿錨索方式進(jìn)行超前支護(hù)。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(jì)3個(gè)，巷道中線位置1個(gè)、與巷幫間距1 200 mm位置各1個(gè)；注漿錨索均為規(guī)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(jié)構(gòu)如圖3所示，技術(shù)參數(shù)見表2。

圖3 中空注漿錨索結(jié)構(gòu)示意

表2 中空注漿錨索技術(shù)參數(shù)

3.2 超前支護(hù)優(yōu)化效果

為掌握優(yōu)化后超前支護(hù)段圍巖支護(hù)效果，在超前支護(hù)段采用鉆孔窺視儀(型號(hào)LHGX-K3)窺視頂板裂隙擴(kuò)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(hù)段測(cè)點(diǎn)在遠(yuǎn)離采面位置處時(shí)，由于受采動(dòng)影響較小，頂板巖體裂隙不發(fā)育、完整性較高；隨著采面與測(cè)點(diǎn)間距不斷減小，頂板裂隙擴(kuò)展程度呈增加趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)距采面10 m時(shí)頂板3 m、5 m位置巖體中發(fā)育有5～10 mm裂隙，頂板破碎程度有所增加；當(dāng)測(cè)點(diǎn)距采面1 m時(shí)，頂板3 m、5 m位置巖體中裂隙發(fā)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(dòng)作用下頂板裂隙發(fā)育程度增加，通過注漿錨索及單體采面超前支護(hù)段圍巖始終保持穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，采用單體+注漿錨索超前支護(hù)方式時(shí)，超前支護(hù)段頂板最大下沉量控制在65 mm以內(nèi)，下沉量整體較小。

超前支護(hù)用注漿錨索支護(hù)，提高了巷道頂板巖體穩(wěn)定性及支護(hù)體系強(qiáng)度；單體提高了超前支護(hù)段支護(hù)剛度。通過對(duì)超前支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，可明顯減少單體支柱使用量以及作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)可增加巷道超前支護(hù)段通風(fēng)面積，改善通風(fēng)效果。

4 結(jié) 語

1) 文中對(duì)15305綜放工作面回采巷道超前支護(hù)現(xiàn)狀及存在問題進(jìn)行分析，采面現(xiàn)采用的超前支護(hù)方式雖然可滿足圍巖控制需要，但是由于超前支護(hù)段單體布置間排距較小、占用巷道斷面大，導(dǎo)致超前支護(hù)面臨勞動(dòng)強(qiáng)度大、通風(fēng)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(hù)圍巖，通過注漿提高超前支護(hù)段巷道頂板穩(wěn)定性及承載能力，同時(shí)提升原有支護(hù)系統(tǒng)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(hù)作用力。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)超前支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行工程應(yīng)用。結(jié)果表明，對(duì)巷道超前支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化后，在超前支撐影響區(qū)內(nèi)巷道頂板完整性較強(qiáng)，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(hù)效果。