高強(qiáng)度綜采工作面巷道圍巖控制技術(shù)研究

張江浩

（陽城縣陽泰集團(tuán)實(shí)業(yè)有限公司，山西 陽城 048100）

1 工程概況

陽泰集團(tuán)西溝煤業(yè)3703 綜采工作面地面標(biāo)高+680～+725 m，井下標(biāo)高+560～+580 m，位于3#煤層七采區(qū)北翼，煤層均厚4.23 m。3703 工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度320 m，可采長(zhǎng)度約1440 m，參考鄰近3701綜采工作面生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，工作面每天推采16 個(gè)循環(huán)（12.8 m），屬于高強(qiáng)度開采工作面?；夭善陂g，工作面兩側(cè)順槽礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，圍巖變形過度、返修頻繁。為避免3703 工作面出現(xiàn)類似問題，以3703 輔運(yùn)順槽為例，研究圍巖變形規(guī)律及支護(hù)方案。

2 高強(qiáng)度綜采面巷道變形規(guī)律研究

3703 輔運(yùn)順槽采用矩形斷面，錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道毛寬5.4 m，毛高3.8 m，頂板采用錨網(wǎng)＋錨索聯(lián)合支護(hù)。錨桿直徑22 mm，錨桿長(zhǎng)度2200 mm。頂錨桿垂直于頂板布置，考慮施工因素，允許存在5°的偏差，每排6 根，間排距1000 mm，距兩幫各200 mm，頂板錨桿的預(yù)緊力扭矩不低于200 N·m。菱形金屬網(wǎng)，長(zhǎng)5000 mm，寬1200 mm。頂板錨桿間均采用π 型鋼帶，同排錨桿間鋼帶長(zhǎng)5200 mm，寬度140 mm，厚8 mm，限位孔間距1000 mm；頂板錨索為Φ28.6 mm 的鋼絞線錨索，長(zhǎng)度8000 mm，垂直于頂板打設(shè)（考慮施工因素，可以存在5°的偏差），布置于兩排錨桿之間，“三·三”隔排布置，間排距為2100 mm×2000 mm，距巷幫600 mm。巷幫支護(hù)采用錨桿+塑料網(wǎng)，垂直于巷幫布置，回采幫錨桿直徑31 mm，長(zhǎng)度2100 mm，每排5 根。3703 輔運(yùn)順槽原支護(hù)詳情如圖1（a）。

圖1 巷道原支護(hù)方案及數(shù)值模型示意圖

高強(qiáng)度開采工作面主要體現(xiàn)在三方面：采高大、推采速度快、工作面長(zhǎng)度長(zhǎng)[1-2]。采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)研究，模型采用摩爾-庫倫彈塑性模型[3]，尺寸長(zhǎng)、寬、高=500 m、400 m、125 m，模型四周邊界設(shè)定豎直固定約束，底面邊界設(shè)定水平固定約束。模型如圖1（b）。

為分析工作面推采速度對(duì)礦壓特征的影響，設(shè)計(jì)模擬試驗(yàn)時(shí)工作面推進(jìn)速度分別為7 m/d、10 m/d、13 m/d。模擬計(jì)算時(shí)首先進(jìn)行工作面兩側(cè)順槽的開挖和支護(hù)，然后進(jìn)行工作面回采模擬，在工作面前方布置測(cè)線，測(cè)量工作面回采期間前方煤層內(nèi)垂直應(yīng)力的變化規(guī)律，并監(jiān)測(cè)工作面前方5 m 處巷道圍巖變形情況，整理得到圖2 所示結(jié)果。

圖2 工作面礦壓特征模擬結(jié)果

由圖2（a）可知，工作面前方超前支承壓力呈現(xiàn)驟然增大然后緩慢減小并最終穩(wěn)定。工作面回采60 m 時(shí)，不同推進(jìn)速度條件下，支承壓力峰值差別不大，為12.5～13.6 MPa 之間，超前影響范圍約為40 m；工作面回采120 m 時(shí)，超前支承壓力峰值顯著增大。推進(jìn)速度為7 m/d、10 m/d、13 m/d 條件下應(yīng)力峰值分別為16.9 MPa、19.1 MPa、20.2 MPa，隨著工作面推采速度增大，超前支承壓力峰值增大，工作面超前支承壓力影響范圍達(dá)到80 m。

圖2（b）、（c）所示為工作面回采120 m 時(shí)工作面前方10 m 處巷道位移變化曲線。分析可知，隨著推進(jìn)速度的增大，巷道表面變形量明顯增大，推進(jìn)速度為7 m/d、10 m/d、13 m/d 條件下頂板最大下沉量分別為138 mm、181 mm、312 mm，回采幫最大水平位移分別為121 mm、208 mm、402 mm。推進(jìn)速度為13 m/d 較推進(jìn)速度7 m/d 時(shí)頂板下沉量增長(zhǎng)1.26 倍，回采幫內(nèi)移量增長(zhǎng)2.32 倍，表明工作面推進(jìn)速度較大對(duì)于巷道動(dòng)壓影響更明顯，是導(dǎo)致巷道圍巖變形過大的重要因素。

3 高強(qiáng)度綜采面巷道控制技術(shù)

高強(qiáng)度開采工作面不同于常規(guī)的綜采工作面，此類工作面具有超前支承壓力影響范圍大、支承壓力峰值高、動(dòng)壓影響劇烈特點(diǎn)，回采巷道更易失穩(wěn)破壞，據(jù)此結(jié)合3703 輔運(yùn)順槽原有支護(hù)方案設(shè)計(jì)其補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案：1）頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)：一方面在頂板錨索所在位置補(bǔ)打錨桿，施工在3 根錨索之間，每排補(bǔ)打兩根，規(guī)格同原頂板支護(hù)；另一方面超前回采工作面80 m 范圍內(nèi)的頂板采用單體柱進(jìn)行超前支護(hù)，每排3 根，布置間排距2.0 m。2）煤柱幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)：在煤柱幫原錨桿支護(hù)之間補(bǔ)打三根長(zhǎng)錨索，錨索規(guī)格Φ28.6 mm×8000 mm，同排錨索交替采用π 型鋼帶聯(lián)結(jié)，相同高度的三列錨索分別采用π 鋼帶聯(lián)結(jié)；3）回采幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)：同樣在原錨桿支護(hù)之間打設(shè)長(zhǎng)錨索，錨索采用“一二一”布置，排距1.0 m，相同高度的三列錨索分別采用π 鋼帶聯(lián)結(jié)。3703 輔運(yùn)順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)如圖3。

4 方案可行性及效果考察

4.1 模擬驗(yàn)證

采用FLAC3D軟件模擬研究3703 輔運(yùn)順槽采用上述補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案的可行性[4]，設(shè)計(jì)工作面推采速度為13 m/d。工作面回采120 m 條件下，超前工作面10 m 處巷道圍巖變形情況如圖4。原支護(hù)方案條件下，頂板巖層發(fā)生垂直位移的范圍較大，下沉量最大達(dá)到185.6 mm，兩幫圍巖發(fā)生水平位移的范圍也較大，兩幫相對(duì)移近量達(dá)394.5 mm；補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，頂板和兩幫發(fā)生明顯位移變形的范圍減小，頂板下沉量為106.2 mm，兩幫移近量為238.4 mm，較原支護(hù)分別減小42.8%、39.6%，巷道表面變形量明顯降低，說明補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案較合理有效。

4.2 實(shí)際支護(hù)效果驗(yàn)證

3703 工作面回采前，依前文所述補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案對(duì)3703輔運(yùn)順槽進(jìn)行加固，巷道表面整體光潔平整，斷面無明顯的變形，頂板未出現(xiàn)明顯下沉，消除了兩幫內(nèi)移，支護(hù)效果較好。相較于3701 工作面巷道返修費(fèi)用減少了約20 萬元，平均日產(chǎn)量提高了936 t，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

西溝煤業(yè)3#煤層綜采工作面屬于高強(qiáng)度開采工作面，為保障工作面兩側(cè)回采巷道圍巖穩(wěn)定，運(yùn)用數(shù)值模擬手段進(jìn)行研究。研究表明，高強(qiáng)度開采工作面具有超前支承壓力影響范圍大、峰值高的特點(diǎn)，回采巷道超前礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈，預(yù)計(jì)現(xiàn)有支護(hù)無法滿足支護(hù)要求。根據(jù)高強(qiáng)度開采工作面礦壓特征設(shè)計(jì)3703 輔運(yùn)順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，數(shù)值模擬研究驗(yàn)證表明，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案可使巷道頂板下沉量、兩幫移近量分別減小42.8%、39.6%。3703 輔運(yùn)順槽現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后巷道圍巖穩(wěn)定性良好，保障了礦井高強(qiáng)度綜采工作面的安全高效生產(chǎn)。