采煤工作面超前段圍巖變形控制技術(shù)研究

岳 華

（山西焦煤汾西礦業(yè)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(qū)側(cè)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]。現(xiàn)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(gòu)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(wěn)定性以及承載能力主要技術(shù)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(yōu)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(xiàn)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(xiàn)場應(yīng)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(wù)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(wěn)定，為全區(qū)可采煤層。3507 回風巷沿著5 號煤層頂板掘進，煤層頂?shù)装逡阅鄮r、細粒砂巖以及砂質(zhì)泥巖等為主，具體頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

表1 5 號煤層頂?shù)装鍘r性

具體3507 回風巷位置如圖1 所示，巷道兩側(cè)分別為3505 采面回風巷、3507 瓦斯抽采巷，留設(shè)的護巷煤柱寬度分別為20 m、15 m。3507 回風巷設(shè)計斷面為矩形，圍巖采用錨網(wǎng)索支護工藝，設(shè)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(fā)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(xù)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(fā)育。現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，3507 回風巷在采面超前50 m 范圍內(nèi)圍巖出現(xiàn)明顯收斂，在超前采面20 m 以內(nèi)范圍時巷道頂?shù)装迨諗苛孔畲罂蛇_到700～1 200 mm、兩幫收斂量可達到1 850～2 200 mm。回風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(shù)值模擬技術(shù)方法對3507 回風巷圍巖受力情況進行模擬分析，具體模擬結(jié)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(xiàn)一定程度應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值最大可達到10.3 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.2，具體應(yīng)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(yīng)力峰值最大可達到25 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.91，具體應(yīng)力分布云圖如圖2-2 所示；在3505 工作面采空區(qū)后方，受到采空區(qū)頂板彎曲、下沉引起的側(cè)向應(yīng)力在煤柱內(nèi)集中，應(yīng)力峰值可達到56 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為6.53，具體應(yīng)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(qū)側(cè)向應(yīng)力疊加，導致圍巖應(yīng)力進一步集中，最大應(yīng)力可達到86 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為10.02，具體應(yīng)力分布云圖如圖2-4 所示。從模擬結(jié)果看出，3507 回風巷圍巖應(yīng)力集中，在采動作用下圍巖裂隙發(fā)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(jié)果

3 超前支護技術(shù)應(yīng)用

由于3507 回風巷圍巖應(yīng)力集中、裂隙發(fā)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(nèi)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(wěn)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(jié)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(tǒng)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(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)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(shù)規(guī)格見表2。回風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(xiàn)防倒、偏斜、自動移架等功能；同時支架結(jié)構(gòu)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(guī)格參數(shù)

在超前支護時對回風巷內(nèi)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(fā)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(xiàn)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(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果如圖4 所示。從監(jiān)測結(jié)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(qū)域巷道圍巖基本不出現(xiàn)變形；在超前支護段回風巷頂?shù)装濉蓭妥畲笫諗苛糠謩e控制在114 mm、121 mm以內(nèi)，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(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)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(qū)側(cè)向應(yīng)力以及3507 工作面采動壓力多重影響，圍巖應(yīng)力集中、裂隙發(fā)育，回風巷圍巖裂隙發(fā)育、圍巖應(yīng)力集中，從而使得后續(xù)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(yīng)力分布分析基礎(chǔ)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(jù)現(xiàn)場實際情況對超前注漿方案、超前支架布置等進行設(shè)計。

3）現(xiàn)場工程應(yīng)用后，3507 回風巷超前支護段圍巖變形得以有效控制，監(jiān)測期間頂?shù)装濉蓭褪諗苛糠謩e控制在114 mm、121 mm 以內(nèi)，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(yè)人員勞動強度。