高強度綜采工作面巷道圍巖控制技術研究

張江浩

（陽城縣陽泰集團實業有限公司，山西 陽城 048100）

1 工程概況

陽泰集團西溝煤業3703 綜采工作面地面標高+680～+725 m，井下標高+560～+580 m，位于3#煤層七采區北翼，煤層均厚4.23 m。3703 工作面設計長度320 m，可采長度約1440 m，參考鄰近3701綜采工作面生產經驗，工作面每天推采16 個循環（12.8 m），屬于高強度開采工作面。回采期間，工作面兩側順槽礦壓顯現強烈，圍巖變形過度、返修頻繁。為避免3703 工作面出現類似問題，以3703 輔運順槽為例，研究圍巖變形規律及支護方案。

2 高強度綜采面巷道變形規律研究

3703 輔運順槽采用矩形斷面，錨網索支護，巷道毛寬5.4 m，毛高3.8 m，頂板采用錨網＋錨索聯合支護。錨桿直徑22 mm，錨桿長度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，頂板錨桿的預緊力扭矩不低于200 N·m。菱形金屬網，長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，長度8000 mm，垂直于頂板打設（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。巷幫支護采用錨桿+塑料網，垂直于巷幫布置，回采幫錨桿直徑31 mm，長度2100 mm，每排5 根。3703 輔運順槽原支護詳情如圖1（a）。

圖1 巷道原支護方案及數值模型示意圖

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

為分析工作面推采速度對礦壓特征的影響，設計模擬試驗時工作面推進速度分別為7 m/d、10 m/d、13 m/d。模擬計算時首先進行工作面兩側順槽的開挖和支護，然后進行工作面回采模擬，在工作面前方布置測線，測量工作面回采期間前方煤層內垂直應力的變化規律，并監測工作面前方5 m 處巷道圍巖變形情況，整理得到圖2 所示結果。

圖2 工作面礦壓特征模擬結果

由圖2（a）可知，工作面前方超前支承壓力呈現驟然增大然后緩慢減小并最終穩定。工作面回采60 m 時，不同推進速度條件下，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，超前支承壓力峰值顯著增大。推進速度為7 m/d、10 m/d、13 m/d 條件下應力峰值分別為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到80 m。

圖2（b）、（c）所示為工作面回采120 m 時工作面前方10 m 處巷道位移變化曲線。分析可知，隨著推進速度的增大，巷道表面變形量明顯增大，推進速度為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。推進速度為13 m/d 較推進速度7 m/d 時頂板下沉量增長1.26 倍，回采幫內移量增長2.32 倍，表明工作面推進速度較大對于巷道動壓影響更明顯，是導致巷道圍巖變形過大的重要因素。

3 高強度綜采面巷道控制技術

高強度開采工作面不同于常規的綜采工作面，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、動壓影響劇烈特點，回采巷道更易失穩破壞，據此結合3703 輔運順槽原有支護方案設計其補強支護方案：1）頂板補強支護：一方面在頂板錨索所在位置補打錨桿，施工在3 根錨索之間，每排補打兩根，規格同原頂板支護；另一方面超前回采工作面80 m 范圍內的頂板采用單體柱進行超前支護，每排3 根，布置間排距2.0 m。2）煤柱幫補強支護：在煤柱幫原錨桿支護之間補打三根長錨索，錨索規格Φ28.6 mm×8000 mm，同排錨索交替采用π 型鋼帶聯結，相同高度的三列錨索分別采用π 鋼帶聯結；3）回采幫補強支護：同樣在原錨桿支護之間打設長錨索，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 鋼帶聯結。3703 輔運順槽補強支護如圖3。

4 方案可行性及效果考察

4.1 模擬驗證

采用FLAC3D軟件模擬研究3703 輔運順槽采用上述補強支護方案的可行性[4]，設計工作面推采速度為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。原支護方案條件下，頂板巖層發生垂直位移的范圍較大，下沉量最大達到185.6 mm，兩幫圍巖發生水平位移的范圍也較大，兩幫相對移近量達394.5 mm；補強支護后，頂板和兩幫發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，較原支護分別減小42.8%、39.6%，巷道表面變形量明顯降低，說明補強支護方案較合理有效。

4.2 實際支護效果驗證

3703 工作面回采前，依前文所述補強支護方案對3703輔運順槽進行加固，巷道表面整體光潔平整，斷面無明顯的變形，頂板未出現明顯下沉，消除了兩幫內移，支護效果較好。相較于3701 工作面巷道返修費用減少了約20 萬元，平均日產量提高了936 t，取得了良好的經濟效益。

5 結論

西溝煤業3#煤層綜采工作面屬于高強度開采工作面，為保障工作面兩側回采巷道圍巖穩定，運用數值模擬手段進行研究。研究表明，高強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，回采巷道超前礦壓顯現更為強烈，預計現有支護無法滿足支護要求。根據高強度開采工作面礦壓特征設計3703 輔運順槽補強支護方案，數值模擬研究驗證表明，補強支護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 輔運順槽現場工程實踐表明，補強支護后巷道圍巖穩定性良好，保障了礦井高強度綜采工作面的安全高效生產。