综放开采工作面回采巷道超前支护参数优化
2021-10-15程如春
程如春
(山西焦煤西山煤电晋兴能源公司斜沟煤矿,山西 兴县 033699)
引言
随着煤炭资源的大规模开采利用,东部及中部地区浅层煤炭资源基本回采殆尽,已进入深部开采,西部煤炭采深逐年增加[1]。随着深度增加,煤炭开采受到地质条件、地应力及矿压显现等不利因素的影响更为明显,采场及巷道顶板控制难度不断增加[2-3]。为此,众多研究学者对矿井回采巷道顶板控制展开研究,但是多集中在围岩支护方式,对回采巷道超前支护优化方面研究较少[4]。现阶段矿井回采巷道支护多采用单体支柱、工字钢组成的迈步抬棚,也存在支护强度低及支护材料消耗量大等问题[5]。为此,本文以山西某矿3701综放工作面为研究对象,对回采巷道支护参数进行优化。
1 工程概况
3701综放工作面回采的7号煤层埋深平均在460 m,采面设计走向推进距离1 205 m、倾向斜长156 m,回采的煤层厚度5.5 m,赋存稳定,倾角6°,采放比为1∶1。7号煤层直接顶为细砂岩,厚度10.5 m、硬度7;老顶为中砂岩,厚度11.3 m、硬度8;直接底为砂质泥岩、泥岩互层,厚度3.5 m、硬度3.5。
3701综放工作面回采巷道支护超前支护范围为采面前方20 m,采用单体、铰接梁按照“一梁三柱”支护,同时使用半圆木及工字钢对超前支护体系进行补强加固,在每根铰接钢梁上布置2根半圆木(长度3.0 m),以提高顶板支护效果。
2 回采巷道超前支护存在问题
1)受到3701综放工作面采高大、回采动压影响范围大及动压显现明显等因素影响,回采巷道围岩变形量相对较大,超前支护体系整体受力较大,部分铰接梁由于错动而失去对顶板的承载作用。
2)由铰接梁及单体支柱构成的超前支护体系,存在支护强度低、支护材料使用量大及回收困难等问题,特别是在采面基本顶垮落来压期间,超前支护段顶板下沉量大,难以起到较好的围岩控制效果。
3)在超前支护段铰接梁上增加半圆木,对顶板进行强化支护,在转载机位置受支护面积及跨距大等因素影响,顶板支护强度相对较低,在采面来压期间半圆木容易断裂。
4)安全通道使用工字钢作为单体底梁,在对单体回撤时底梁容易出现弯折或者翘起等问题,给采面超前支护段正常使用带来不利影响。
3 超前支护段支护参数优化
基于以往研究成果,在充分利用现有超前支护体系的基础上提出:对巷道超前加固段使用注浆锚索对顶板进行补强加固;巷帮采用树脂锚杆、柔性纤维网进行补强支护,以确保3701综放工作面超前支护段围岩变形在允许范围内,满足煤炭安全、高效回采需要。具体超前支护参数优化设计如下:
3.1 顶板注浆锚索布置
在采面超前支护段采用Φ21.6 mm×5 000 mm中空注浆锚索(1×8股)进行补强加固。锚索布置在铰接梁中间并按照1 800 mm×2 000 mm间排距施工,每排布置3根锚索。顶端采用2支CK2355锚固剂锚固后给锚索施加200 kN预紧力。
3.2 巷帮补强加固
在巷板采用3根玻璃钢锚杆(规格为Φ18 mm×2 000 mm)、钢带(BHW-300-3×400 mm)进行支护,锚杆均按照1 000 mm×1 000 mm间排距布置。端头采用2支2335型锚固剂锚固。在巷帮挂柔性纤维网。具体超前支护段顶板注浆锚索、巷帮玻璃钢锚杆布置如下页图1所示。
图1 超前支护段强化支护示意图(单位:mm)
4 超前支护段巷道支护效果
围岩变形是衡量超前支护段围岩控制效果最为直观的一个指标,在巷道超前支护段布置测点对巷帮及顶板变形量进行监测,并对监测数据进行整理分析,具体监测结果如图2所示。
图2 超前支护段围岩变形量监测结果
从图2可看出,巷帮及顶板变形量随着测点与采面间距不断缩小呈逐渐增加趋势,表明采动动压是影响超前巷道围岩变形量的主要因素。在测点与采面相距50 m时,顶板及巷帮变形量分别为5 mm、3 mm;测点与采面间距缩小至5 m时,顶板及巷帮变形量增加至144 mm、170 mm,虽然变形量明显增加,但是整体变形量仍较小。支护使用的铰接顶梁及单体支柱等均未出现明显变形。由此表明,本文所提及的超前支护优化技术可满足3701综放工作面回采巷道超前支护需要。
5 结论
1)受回采巷道超前支护强度低、采面采动动压显现明显等因素影响,3701综放工作面回采巷道超前支护段原采用的“单体支柱+铰接梁”方式围岩控制效果不佳,导致巷道围岩变形量较大,不仅需要安排人员对巷道进行修整,而且给采面煤炭正常回采带来一定影响。
2)对采面回采巷道超前支护段支护参数进行优化,具体是通过注浆锚索提高巷道顶板强度及稳定性,采用玻璃钢锚杆强化巷帮支护。经现场实际应用后,超前支护段顶板、巷帮最大变形量分别控制在144 mm、170 mm以内,有效降低了采动动压影响,并控制了巷道围岩变形量。