綜放工作面回風巷超前支護參數研究

魏 鑫

（晉能控股煤業集團有限公司四老溝礦 山西 大同 037100）

0 引言

回風巷道是綜采工作面輔助運輸與通風的重要安全通道，對工作面安全高效生產具有十分鐘要的意義。受上一工作面采空區側向集中應力和本工作面超前集中應力的影響，回風巷道在工作面超前一定范圍內同時受到超前和側向集中應力的共同影響，導致巷道圍巖變形破壞相對嚴重，特別是當回風巷道采用窄煤柱護巷時，巷道圍巖變形更為嚴重，因此應對工作面超前影響范圍內的巷道進行臨時加強支護。

晉能控股煤業集團四老溝礦8112綜放工作面5112回風順槽采用窄煤柱護巷，本文針對巷道實際條件，對巷道超前支護參數進行了分析，并給出了超前支護方案，為工作面安全可靠超前支護提供參考。

1 開采技術條件

晉能控股煤業集團四老溝礦8112綜采工作面所采煤層為C3-5#煤層，煤層厚度為1.2 m～7.9 m，平均厚度為4.9 m，煤層結構復雜，含夾矸0~4層，平均厚度0.45 m。工作面標高938 m~966 m，地面標高為1 408 m~1 504 m,工作面長200 m，推進長度為530 m；采用綜合機械化放頂煤采煤工藝，采3.5 m，放1.1 m，端頭不放煤。

5112巷為8112工作面回風順槽，巷道設計為矩形斷面，巷道寬為5.0 m，高為3.7 m，沿底掘進，巷道頂底板巖性如表1所示。

表1 煤層頂底板特征表

5112巷為窄煤柱沿空掘巷，其中護巷煤柱寬度為6 m，護巷煤柱另一側為8102工作面采空區，巷道采用錨索+錨桿+W鋼帶+金屬網進行支護；護幫采用錨桿+金屬網支護，幫部采用錨桿+金屬網支護，支護斷面如圖1所示。

圖1 巷道支護斷面

2 沿空巷道圍巖變形特征

8110工作面開采結束，采空區側向上覆巖層會發生破斷、運移，待采空區側向上覆巖層破斷運移趨于穩定后，在采空區側向一定范圍內存在低應力區，在低應力區域內適當位置進行沿空掘巷，將巷道布置于低應力區域內可以充分利用采空區側向上覆巖層的穩定性，減小巷道圍巖的變形。沿空掘巷時對巷道進行錨桿和錨索聯合支護可以充分改善圍巖的力學性質，發揮圍巖的自穩能力，成巷初期在錨桿支護系統的作用下圍巖可以保持整體穩定。

8112工作面回采期間，回風順槽主要受采空區側向殘余采動影響及本工作面超前采動影響，其中采空區側向應力相對較小，超前集中應力主要為動載荷，隨著工作面推進向巷道前方移動，在超前動載作用下沿空巷道上覆巖層會發生第二次運移，導致巷道圍巖進一步破壞變形。護巷煤柱為窄煤柱時煤柱結構在上工作面采動及掘進影響下已發生較為嚴重的破壞變形，隨著本工作面(8112工作面)的回采，巷道煤柱結構會受到進一步破壞，引起巷道圍巖變形。因此在8112工作面回采過程中要對5112回風巷進行超前加強支護，超前加強支護的主要作用為與錨桿及錨索支護系統共同作用，緩解和限制采動過程中巷道頂板離層發育，減緩上覆巖層回轉變形速度，從而減緩巷道幫部的破壞變形，減小超前支護范圍內巷道圍巖的變形速度。

3 超前支護強度分析

3.1 理論分析

5112巷道沿空掘巷后，采空區側向上覆巖層應力會發生重新分布，在巷道頂板上覆一定范圍內會形成一個處于相對穩定狀態的壓力平衡拱，根據平衡拱理論，巷道超前支護應力應不小于成拱上覆巖層的重量[6-8]。壓力平衡拱力學模型見圖2。

圖2 壓力平衡拱力學模型

巷道頂板上覆巖層成拱的拱高為：

式中：f為沿空巷道掘進及工作面采動影響后的巷道圍巖硬度系數，取1.6；c為巷道上覆巖層成拱的最大跨度，按式(2)計算。

式中：a掘進巷寬的一半，根據實際情況，取2.5m；H為巷道掘進高度，取3.7 m；φ為從擾動影響后巷道頂板巖體的內摩擦角，取27°；

基于巷道成拱后的頂板應力可按照下式子計算：

式中：K1為8102工作面的殘余采動影響系數，根據以往的監測數據，取1.6，K2為8112工作面超前采動影響系數，根據實測數據，取1.8,γ為上覆巖層容重，取25 kN/m3。

將各參數代入計算得p=126.53 kPa。考慮巷道一側為窄煤柱，在工作面采動影響下會發生較為嚴重的破壞變形，為保證安全支護，一般取一定的安全系數，結合以往的實踐經驗，取1.7倍安全系數，確定超前支護參數為215.10 kPa。

3.2 數值模擬

采用FLAC3D有限差分數值模擬軟件建立相應數值計算模型，分析超前支護強度為215.10 kPa時巷道圍巖變形情況。根據5112回風順槽實際開采地質條件，對巷道頂板施加215.10 kPa的面力來代替超前支護強度，模型長度500 m，寬度400 m，基本頂上覆巖層用均布載荷代替，煤巖體各物理力學參數如表2所示。

表2 煤巖體物理力學參數

圖3 為數值模擬所得超前支護強度為215.10 kPa時在工作面附件巷道圍巖變形云圖，由圖可知，在工作面回采期間巷道頂板最大變形量為234 mm，最大變形量位于巷道頂板中部靠近煤柱幫一側，巷道頂板變形量相對較小，表明在215.10 kPa的超前支護作用下工作面附近巷道頂板得到了有效控制，可以滿足可以滿足超前支護要求。

圖3 巷道頂板下沉云圖

4 超前支護技術與展望

隨著綜采技術裝備的不斷發展，回采巷道超前支護技術與裝備也取得了長足的進步。目前用于巷道超前支護方式主要有單體液壓支柱支護、超前支架組支護、單元式支架支護、門式支架支護等。使用單體液壓支護支護時可以實現對頂板的無反復支護，但在實際作用過程中存在勞動強度大、支護效率低、初始支護力不均衡等。各類超前支架組，特別是分體式超前支架組近年來得到了廣泛的應用，該支架組配備了先進的電液控制系統，可以實現與綜采工作面支架控制系統進行協同控制，實現了巷道安全、高效的超前支護，但超前支架組存在反復承載破壞頂板，對于地質條件較差的巷道支架組與圍巖的適應性有待進一步提高；單元式支架具有支護強度高、整體結構緊湊、對地質適應性強、可實現無反復支護等特點，受到國內許多礦區的歡迎，在實際支護過程中采用單軌吊或專用的運載裝備進行移架，實現了回采巷道的快速安全支護。此外，近年來由門式支護架和多功能運載裝備組成的超前支護裝備已成功用于集團公司同忻礦、塔山礦：該支護裝備可以實現對巷道的長距離無反復支護，通過多功能運載裝備對門式支架的快速搬運，在保持巷道頂板完整的基礎上實現了回采巷道安全高效支護。目前新型單元式支架和門式支架現有的超前支護裝備相比具有一定的優勢，今后會成為煤礦井下綜采工作面超前支護的主要發展方向之一。

5 5112回風順槽超前支護方案

基于四老溝煤礦的實際開采條件與技術裝備現狀，目前8112綜采工作面5112回風順槽采用密集型單體液壓支柱支護：超前支護長度為100 m，三排布置，即“三梁三柱”，柱距不大于1.2 m。第一排單體柱距工作面側0.8 m處支護，第二排單體柱距工作面側1.6 m處支護,第三排單體柱距工作面煤柱側1 m處支護，第二排與第三排單體柱中間為行車道，行車道兩側單體柱排距2.4 m，支護強度為0.22 MPa。

6 結語

8112綜采工作面回采期間5112回風順槽頂板下沉量為386 mm，累計下沉量為535 mm，煤柱幫最大變形量為325 mm，累計變形量為512 mm，實體煤幫最大變形量為235 mm，累計變形量為352 mm，巷道變形量相對較小，但實際支護過程中存在勞動強度大、支護效率低、局部區域初始支護強度不足等情況?？紤]目前綜采技術裝備發展現狀和應用情況，建議四老溝礦后期根據實際情況探索新型單元式支架和門式支架的超前支護方案，以進一步提高支護效率，助力礦井綠色、安全、高效生產。