综放工作面回风巷超前支护参数研究

魏 鑫

（晋能控股煤业集团有限公司四老沟矿 山西 大同 037100）

0 引言

回风巷道是综采工作面辅助运输与通风的重要安全通道，对工作面安全高效生产具有十分钟要的意义。受上一工作面采空区侧向集中应力和本工作面超前集中应力的影响，回风巷道在工作面超前一定范围内同时受到超前和侧向集中应力的共同影响，导致巷道围岩变形破坏相对严重，特别是当回风巷道采用窄煤柱护巷时，巷道围岩变形更为严重，因此应对工作面超前影响范围内的巷道进行临时加强支护。

晋能控股煤业集团四老沟矿8112综放工作面5112回风顺槽采用窄煤柱护巷，本文针对巷道实际条件，对巷道超前支护参数进行了分析，并给出了超前支护方案，为工作面安全可靠超前支护提供参考。

1 开采技术条件

晋能控股煤业集团四老沟矿8112综采工作面所采煤层为C3-5#煤层，煤层厚度为1.2 m～7.9 m，平均厚度为4.9 m，煤层结构复杂，含夹矸0~4层，平均厚度0.45 m。工作面标高938 m~966 m，地面标高为1 408 m~1 504 m,工作面长200 m，推进长度为530 m；采用综合机械化放顶煤采煤工艺，采3.5 m，放1.1 m，端头不放煤。

5112巷为8112工作面回风顺槽，巷道设计为矩形断面，巷道宽为5.0 m，高为3.7 m，沿底掘进，巷道顶底板岩性如表1所示。

表1 煤层顶底板特征表

5112巷为窄煤柱沿空掘巷，其中护巷煤柱宽度为6 m，护巷煤柱另一侧为8102工作面采空区，巷道采用锚索+锚杆+W钢带+金属网进行支护；护帮采用锚杆+金属网支护，帮部采用锚杆+金属网支护，支护断面如图1所示。

图1 巷道支护断面

2 沿空巷道围岩变形特征

8110工作面开采结束，采空区侧向上覆岩层会发生破断、运移，待采空区侧向上覆岩层破断运移趋于稳定后，在采空区侧向一定范围内存在低应力区，在低应力区域内适当位置进行沿空掘巷，将巷道布置于低应力区域内可以充分利用采空区侧向上覆岩层的稳定性，减小巷道围岩的变形。沿空掘巷时对巷道进行锚杆和锚索联合支护可以充分改善围岩的力学性质，发挥围岩的自稳能力，成巷初期在锚杆支护系统的作用下围岩可以保持整体稳定。

8112工作面回采期间，回风顺槽主要受采空区侧向残余采动影响及本工作面超前采动影响，其中采空区侧向应力相对较小，超前集中应力主要为动载荷，随着工作面推进向巷道前方移动，在超前动载作用下沿空巷道上覆岩层会发生第二次运移，导致巷道围岩进一步破坏变形。护巷煤柱为窄煤柱时煤柱结构在上工作面采动及掘进影响下已发生较为严重的破坏变形，随着本工作面(8112工作面)的回采，巷道煤柱结构会受到进一步破坏，引起巷道围岩变形。因此在8112工作面回采过程中要对5112回风巷进行超前加强支护，超前加强支护的主要作用为与锚杆及锚索支护系统共同作用，缓解和限制采动过程中巷道顶板离层发育，减缓上覆岩层回转变形速度，从而减缓巷道帮部的破坏变形，减小超前支护范围内巷道围岩的变形速度。

3 超前支护强度分析

3.1 理论分析

5112巷道沿空掘巷后，采空区侧向上覆岩层应力会发生重新分布，在巷道顶板上覆一定范围内会形成一个处于相对稳定状态的压力平衡拱，根据平衡拱理论，巷道超前支护应力应不小于成拱上覆岩层的重量[6-8]。压力平衡拱力学模型见图2。

图2 压力平衡拱力学模型

巷道顶板上覆岩层成拱的拱高为：

式中：f为沿空巷道掘进及工作面采动影响后的巷道围岩硬度系数，取1.6；c为巷道上覆岩层成拱的最大跨度，按式(2)计算。

式中：a掘进巷宽的一半，根据实际情况，取2.5m；H为巷道掘进高度，取3.7 m；φ为从扰动影响后巷道顶板岩体的内摩擦角，取27°；

基于巷道成拱后的顶板应力可按照下式子计算：

式中：K1为8102工作面的残余采动影响系数，根据以往的监测数据，取1.6，K2为8112工作面超前采动影响系数，根据实测数据，取1.8,γ为上覆岩层容重，取25 kN/m3。

将各参数代入计算得p=126.53 kPa。考虑巷道一侧为窄煤柱，在工作面采动影响下会发生较为严重的破坏变形，为保证安全支护，一般取一定的安全系数，结合以往的实践经验，取1.7倍安全系数，确定超前支护参数为215.10 kPa。

3.2 数值模拟

采用FLAC3D有限差分数值模拟软件建立相应数值计算模型，分析超前支护强度为215.10 kPa时巷道围岩变形情况。根据5112回风顺槽实际开采地质条件，对巷道顶板施加215.10 kPa的面力来代替超前支护强度，模型长度500 m，宽度400 m，基本顶上覆岩层用均布载荷代替，煤岩体各物理力学参数如表2所示。

表2 煤岩体物理力学参数

图3 为数值模拟所得超前支护强度为215.10 kPa时在工作面附件巷道围岩变形云图，由图可知，在工作面回采期间巷道顶板最大变形量为234 mm，最大变形量位于巷道顶板中部靠近煤柱帮一侧，巷道顶板变形量相对较小，表明在215.10 kPa的超前支护作用下工作面附近巷道顶板得到了有效控制，可以满足可以满足超前支护要求。

图3 巷道顶板下沉云图

4 超前支护技术与展望

随着综采技术装备的不断发展，回采巷道超前支护技术与装备也取得了长足的进步。目前用于巷道超前支护方式主要有单体液压支柱支护、超前支架组支护、单元式支架支护、门式支架支护等。使用单体液压支护支护时可以实现对顶板的无反复支护，但在实际作用过程中存在劳动强度大、支护效率低、初始支护力不均衡等。各类超前支架组，特别是分体式超前支架组近年来得到了广泛的应用，该支架组配备了先进的电液控制系统，可以实现与综采工作面支架控制系统进行协同控制，实现了巷道安全、高效的超前支护，但超前支架组存在反复承载破坏顶板，对于地质条件较差的巷道支架组与围岩的适应性有待进一步提高；单元式支架具有支护强度高、整体结构紧凑、对地质适应性强、可实现无反复支护等特点，受到国内许多矿区的欢迎，在实际支护过程中采用单轨吊或专用的运载装备进行移架，实现了回采巷道的快速安全支护。此外，近年来由门式支护架和多功能运载装备组成的超前支护装备已成功用于集团公司同忻矿、塔山矿：该支护装备可以实现对巷道的长距离无反复支护，通过多功能运载装备对门式支架的快速搬运，在保持巷道顶板完整的基础上实现了回采巷道安全高效支护。目前新型单元式支架和门式支架现有的超前支护装备相比具有一定的优势，今后会成为煤矿井下综采工作面超前支护的主要发展方向之一。

5 5112回风顺槽超前支护方案

基于四老沟煤矿的实际开采条件与技术装备现状，目前8112综采工作面5112回风顺槽采用密集型单体液压支柱支护：超前支护长度为100 m，三排布置，即“三梁三柱”，柱距不大于1.2 m。第一排单体柱距工作面侧0.8 m处支护，第二排单体柱距工作面侧1.6 m处支护,第三排单体柱距工作面煤柱侧1 m处支护，第二排与第三排单体柱中间为行车道，行车道两侧单体柱排距2.4 m，支护强度为0.22 MPa。

6 结语

8112综采工作面回采期间5112回风顺槽顶板下沉量为386 mm，累计下沉量为535 mm，煤柱帮最大变形量为325 mm，累计变形量为512 mm，实体煤帮最大变形量为235 mm，累计变形量为352 mm，巷道变形量相对较小，但实际支护过程中存在劳动强度大、支护效率低、局部区域初始支护强度不足等情况。考虑目前综采技术装备发展现状和应用情况，建议四老沟矿后期根据实际情况探索新型单元式支架和门式支架的超前支护方案，以进一步提高支护效率，助力矿井绿色、安全、高效生产。