魏 鑫

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司四老溝礦 山西 大同 037100）

0 引言

回風(fēng)巷道是綜采工作面輔助運(yùn)輸與通風(fēng)的重要安全通道，對(duì)工作面安全高效生產(chǎn)具有十分鐘要的意義。受上一工作面采空區(qū)側(cè)向集中應(yīng)力和本工作面超前集中應(yīng)力的影響，回風(fēng)巷道在工作面超前一定范圍內(nèi)同時(shí)受到超前和側(cè)向集中應(yīng)力的共同影響，導(dǎo)致巷道圍巖變形破壞相對(duì)嚴(yán)重，特別是當(dāng)回風(fēng)巷道采用窄煤柱護(hù)巷時(shí)，巷道圍巖變形更為嚴(yán)重，因此應(yīng)對(duì)工作面超前影響范圍內(nèi)的巷道進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦8112綜放工作面5112回風(fēng)順槽采用窄煤柱護(hù)巷，本文針對(duì)巷道實(shí)際條件，對(duì)巷道超前支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了分析，并給出了超前支護(hù)方案，為工作面安全可靠超前支護(hù)提供參考。

1 開(kāi)采技術(shù)條件

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸0~4層，平均厚度0.45 m。工作面標(biāo)高938 m~966 m，地面標(biāo)高為1 408 m~1 504 m,工作面長(zhǎng)200 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為530 m；采用綜合機(jī)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(fēng)順槽，巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，巷道寬為5.0 m，高為3.7 m，沿底掘進(jìn)，巷道頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

5112巷為窄煤柱沿空掘巷，其中護(hù)巷煤柱寬度為6 m，護(hù)巷煤柱另一側(cè)為8102工作面采空區(qū)，巷道采用錨索+錨桿+W鋼帶+金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)；護(hù)幫采用錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)，幫部采用錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 巷道支護(hù)斷面

2 沿空巷道圍巖變形特征

8110工作面開(kāi)采結(jié)束，采空區(qū)側(cè)向上覆巖層會(huì)發(fā)生破斷、運(yùn)移，待采空區(qū)側(cè)向上覆巖層破斷運(yùn)移趨于穩(wěn)定后，在采空區(qū)側(cè)向一定范圍內(nèi)存在低應(yīng)力區(qū)，在低應(yīng)力區(qū)域內(nèi)適當(dāng)位置進(jìn)行沿空掘巷，將巷道布置于低應(yīng)力區(qū)域內(nèi)可以充分利用采空區(qū)側(cè)向上覆巖層的穩(wěn)定性，減小巷道圍巖的變形。沿空掘巷時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)可以充分改善圍巖的力學(xué)性質(zhì)，發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，成巷初期在錨桿支護(hù)系統(tǒng)的作用下圍巖可以保持整體穩(wěn)定。

8112工作面回采期間，回風(fēng)順槽主要受采空區(qū)側(cè)向殘余采動(dòng)影響及本工作面超前采動(dòng)影響，其中采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力相對(duì)較小，超前集中應(yīng)力主要為動(dòng)載荷，隨著工作面推進(jìn)向巷道前方移動(dòng)，在超前動(dòng)載作用下沿空巷道上覆巖層會(huì)發(fā)生第二次運(yùn)移，導(dǎo)致巷道圍巖進(jìn)一步破壞變形。護(hù)巷煤柱為窄煤柱時(shí)煤柱結(jié)構(gòu)在上工作面采動(dòng)及掘進(jìn)影響下已發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞變形，隨著本工作面(8112工作面)的回采，巷道煤柱結(jié)構(gòu)會(huì)受到進(jìn)一步破壞，引起巷道圍巖變形。因此在8112工作面回采過(guò)程中要對(duì)5112回風(fēng)巷進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)，超前加強(qiáng)支護(hù)的主要作用為與錨桿及錨索支護(hù)系統(tǒng)共同作用，緩解和限制采動(dòng)過(guò)程中巷道頂板離層發(fā)育，減緩上覆巖層回轉(zhuǎn)變形速度，從而減緩巷道幫部的破壞變形，減小超前支護(hù)范圍內(nèi)巷道圍巖的變形速度。

3 超前支護(hù)強(qiáng)度分析

3.1 理論分析

5112巷道沿空掘巷后，采空區(qū)側(cè)向上覆巖層應(yīng)力會(huì)發(fā)生重新分布，在巷道頂板上覆一定范圍內(nèi)會(huì)形成一個(gè)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的壓力平衡拱，根據(jù)平衡拱理論，巷道超前支護(hù)應(yīng)力應(yīng)不小于成拱上覆巖層的重量[6-8]。壓力平衡拱力學(xué)模型見(jiàn)圖2。

圖2 壓力平衡拱力學(xué)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(jìn)及工作面采動(dòng)影響后的巷道圍巖硬度系數(shù)，取1.6；c為巷道上覆巖層成拱的最大跨度，按式(2)計(jì)算。

式中：a掘進(jìn)巷寬的一半，根據(jù)實(shí)際情況，取2.5m；H為巷道掘進(jìn)高度，取3.7 m；φ為從擾動(dòng)影響后巷道頂板巖體的內(nèi)摩擦角，取27°；

基于巷道成拱后的頂板應(yīng)力可按照下式子計(jì)算：

式中：K1為8102工作面的殘余采動(dòng)影響系數(shù)，根據(jù)以往的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，取1.6，K2為8112工作面超前采動(dòng)影響系數(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取1.8,γ為上覆巖層容重，取25 kN/m3。

將各參數(shù)代入計(jì)算得p=126.53 kPa?？紤]巷道一側(cè)為窄煤柱，在工作面采動(dòng)影響下會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞變形，為保證安全支護(hù)，一般取一定的安全系數(shù)，結(jié)合以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，取1.7倍安全系數(shù)，確定超前支護(hù)參數(shù)為215.10 kPa。

3.2 數(shù)值模擬

采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件建立相應(yīng)數(shù)值計(jì)算模型，分析超前支護(hù)強(qiáng)度為215.10 kPa時(shí)巷道圍巖變形情況。根據(jù)5112回風(fēng)順槽實(shí)際開(kāi)采地質(zhì)條件，對(duì)巷道頂板施加215.10 kPa的面力來(lái)代替超前支護(hù)強(qiáng)度，模型長(zhǎng)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(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖3 為數(shù)值模擬所得超前支護(hù)強(qiáng)度為215.10 kPa時(shí)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(cè)，巷道頂板變形量相對(duì)較小，表明在215.10 kPa的超前支護(hù)作用下工作面附近巷道頂板得到了有效控制，可以滿(mǎn)足可以滿(mǎn)足超前支護(hù)要求。

圖3 巷道頂板下沉云圖

4 超前支護(hù)技術(shù)與展望

隨著綜采技術(shù)裝備的不斷發(fā)展，回采巷道超前支護(hù)技術(shù)與裝備也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前用于巷道超前支護(hù)方式主要有單體液壓支柱支護(hù)、超前支架組支護(hù)、單元式支架支護(hù)、門(mén)式支架支護(hù)等。使用單體液壓支護(hù)支護(hù)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的無(wú)反復(fù)支護(hù)，但在實(shí)際作用過(guò)程中存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、支護(hù)效率低、初始支護(hù)力不均衡等。各類(lèi)超前支架組，特別是分體式超前支架組近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用，該支架組配備了先進(jìn)的電液控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)與綜采工作面支架控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)了巷道安全、高效的超前支護(hù)，但超前支架組存在反復(fù)承載破壞頂板，對(duì)于地質(zhì)條件較差的巷道支架組與圍巖的適應(yīng)性有待進(jìn)一步提高；單元式支架具有支護(hù)強(qiáng)度高、整體結(jié)構(gòu)緊湊、對(duì)地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)無(wú)反復(fù)支護(hù)等特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)許多礦區(qū)的歡迎，在實(shí)際支護(hù)過(guò)程中采用單軌吊或?qū)Ｓ玫倪\(yùn)載裝備進(jìn)行移架，實(shí)現(xiàn)了回采巷道的快速安全支護(hù)。此外，近年來(lái)由門(mén)式支護(hù)架和多功能運(yùn)載裝備組成的超前支護(hù)裝備已成功用于集團(tuán)公司同忻礦、塔山礦：該支護(hù)裝備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道的長(zhǎng)距離無(wú)反復(fù)支護(hù)，通過(guò)多功能運(yùn)載裝備對(duì)門(mén)式支架的快速搬運(yùn)，在保持巷道頂板完整的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了回采巷道安全高效支護(hù)。目前新型單元式支架和門(mén)式支架現(xiàn)有的超前支護(hù)裝備相比具有一定的優(yōu)勢(shì)，今后會(huì)成為煤礦井下綜采工作面超前支護(hù)的主要發(fā)展方向之一。

5 5112回風(fēng)順槽超前支護(hù)方案

基于四老溝煤礦的實(shí)際開(kāi)采條件與技術(shù)裝備現(xiàn)狀，目前8112綜采工作面5112回風(fēng)順槽采用密集型單體液壓支柱支護(hù)：超前支護(hù)長(zhǎng)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?zhèn)?.8 m處支護(hù)，第二排單體柱距工作面?zhèn)?.6 m處支護(hù),第三排單體柱距工作面煤柱側(cè)1 m處支護(hù)，第二排與第三排單體柱中間為行車(chē)道，行車(chē)道兩側(cè)單體柱排距2.4 m，支護(hù)強(qiáng)度為0.22 MPa。

6 結(jié)語(yǔ)

8112綜采工作面回采期間5112回風(fēng)順槽頂板下沉量為386 mm，累計(jì)下沉量為535 mm，煤柱幫最大變形量為325 mm，累計(jì)變形量為512 mm，實(shí)體煤幫最大變形量為235 mm，累計(jì)變形量為352 mm，巷道變形量相對(duì)較小，但實(shí)際支護(hù)過(guò)程中存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、支護(hù)效率低、局部區(qū)域初始支護(hù)強(qiáng)度不足等情況?？紤]目前綜采技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，建議四老溝礦后期根據(jù)實(shí)際情況探索新型單元式支架和門(mén)式支架的超前支護(hù)方案，以進(jìn)一步提高支護(hù)效率，助力礦井綠色、安全、高效生產(chǎn)。