潘二矿11123工作面回采巷道支护参数优化设计研究

2022-07-08方恩才

煤 2022年7期

方恩才

(淮河能源控股集团煤炭开采国家工程技术研究院，安徽淮南 232001)

回采巷道受采煤工作面回采动压影响，工作面超前应力集中区域巷道顶底板压力大，维护困难[1]。随着煤炭开采深度逐年加深，深部煤炭开采围岩受“三高一扰动”影响，围岩变形量大，破坏严重[2]。随着工作面开采综合机械化程度的提高，工作面回采推进速度加快，回采巷道的变形控制优劣直接影响工作面通风、运料系统是否畅通，采煤工作面的安全高效回采有较大影响[3]。

相关学者对采煤工作面回采巷道的变形破坏规律及支护设计进行了大量研究。董方庭等[4]提出巷道围岩松动圈失稳破坏规律，对深部地层巷道围岩松动圈开展预分类研究；张农等[5]建立了挤压“梁”模型进行回采巷道围岩顶板“零位移点”的存在及零位移点以上向上运动、零位移点以下向下运动，通过现场实测证明了零位移点的真实存在。薛亚东等[6]采用相似模型试验的方法，基于对回采巷道围岩结构变形破坏机制的研究，得出不同围岩结构巷道围岩的受力变形形式。韦四江等[7]采用FLAC3D数值模拟方法分析高强锚杆、锚索协调支护技术在巷道掘进、回采不同时段的动压作用下的巷道围岩矿压显现规律。赵旭峰等[8]以薄煤层群联合开采为背景，建立回采巷道外错式布置围岩破碎的力学模型，并确定联合开采上下分层工作面回采巷道水平距离。郝登云等[9]针对孙家沟煤矿特厚煤层放顶煤工作面13311回风巷严重的冒顶、两帮内挤和底鼓等变形破坏现象，采用现场实测、理论分析及数值模拟等研究方法，探讨了回采巷道失稳机理及主要影响因素。任建慧[10]针对布尔台煤矿42107工作面辅运巷受采动影响矿压显现剧烈等问题，得到了采动影响下回采巷道矿压显现规律，构建了采动影响下巷道围岩受力力学模型，并揭示了采动影响下回采巷道围岩应力影响因素及作用机制。综上可以看出，回采巷道受掘进扰动及工作面采动作用，控制巷道变形难度大。

本文依托淮南矿区潘二煤矿工程背景，通过工程类比及数值计算方法优化巷道支护参数，考虑回采巷道受超前集中应力影响下的巷道围岩变形规律，依据巷道支护设计原理，充分考虑巷道使用和变形要求，引入全长锚固支护工艺优化支护参数设计，提高支护效果，确保工作面回采巷道安全高效运行。

1 工程概况

潘二矿11123工作面位于一水平东一采区，东起东一A组煤采区上山，北沿11223轨顺沿空掘进。上覆11124工作面已回采，下伏1号煤无采掘活动。工作面标高为-457.1～-497.5 m，倾向长度220 m。可采走向长1 345 m；煤层平均厚度5.5 m，倾角5～15°，一次采全高工艺。11123工作面回采3号煤层，3煤为黑色粉末状，以亮煤为主，局部含平均0.8 m厚的泥岩夹矸。工作面回采范围内断层67条，断层最大落差9 m，其中落差大于等于2 m的断层20条。受煤层层间滑动及断层的影响，煤层走向、倾向和厚度均有一定的变化。工作面回采巷道顶、底板岩性概况如表1所示。

表1 潘二矿11123工作面回采巷道顶底板岩性概况

回采巷道顶板中老顶与直接顶分别为砂质泥岩、泥岩，其抗压强度分别为36.97 MPa、21.43 MPa；直接底为砂质泥岩，抗压强度为45.6 MPa。可见回采巷道顶板岩层岩性强度较弱。

2 巷道支护参数初步设计

采用工程类比法进行巷道支护参数初步设计。类比已回采11223工作面巷道，该巷道与11123工作面下顺槽平面距离为180 m。两巷道位于同一区域，岩性接近，因此可以作为本次设计巷道参数的参考对象。根据实际工程需要设计下巷道巷道净宽×净高=5.4 m×3 m，采用锚网索联合支护方式，其中锚杆采用MG400型D22 mm×2 500 mm螺纹钢锚杆，间排距为850 mm×850 mm。锚杆采用1支K2550树脂锚固剂锚固；锚索材料为119股高强度低松弛预应力钢绞线，其抗拉强度1 860 MPa，极限破断拉力不低于583 kN。锚索D21.8 mm，长6 500 mm，间排距为1 000 mm×1 600 mm，4-4布置并采用2支K2550树脂锚固剂锚固。菱形金属网规格为顶部1 100 mm×5 800 mm，帮部1 100 mm×2 300 mm。局部地段受断层影响，采用架29U型棚支护。巷道净宽×净高=5.4 m×3.0 m，棚距700 mm；钢筋背板为D10 mm×610 mm×800 mm。11233工作面下顺槽的矿压观测表明，巷道受工作面采动影响围岩变形量大，需要对其支护参数进一步优化。

3 回采巷道支护参数设计优化

3.1 回采巷道受工作面动压影响分析

工作面回采期间，巷道顶板受到地层重力及煤层回采产生的超前支承压力作用。通常支承压力是采空区覆岩移动及破断后应力重新分布造成的。潘二矿11123工作面上覆岩层的组成复杂，围岩强度较软，回采巷道受超前支承压力作用影响范围广，应力集中系数大。针对潘二煤矿11233工作面下顺槽采用FLAC3D软件对巷道现有支护方案进行模拟优化。本次模拟主要针对回采巷道围岩变形及支护参数进行研究，模型中将工作面超前集中应力作为围岩应力环境进行考虑，建立模型尺寸长×宽×高=60 m×50 m×50 m，矩形巷道宽度×高度=5.4 m×3.0 m，使用Mohr-Coulomb模型作为围岩本构关系。三维模型边界条件设置为：侧面四周采用固定水平位移边界，底部采用固定位竖向位移边界，顶部为自由边界，施加竖向地应力。根据地质勘探时地层岩石力学性质及地层应力测试结果给模型中各岩层附参数[10]。数值模型岩层属性参数见表2。模型中选取1.0、1.5、2.0、2.5应力集中系数进行围岩应力施加，计算结果如图1所示。

表2 数值模型岩层属性参数

图1 不同应力水平环境下的回采巷道顶底板位移量图

由图1可以看出，11123工作面回采巷道在相同支护条件下，巷道处于不同围岩的环境中，巷道围岩顶底变形量差异较大。随着应力环境增高，相对地层原始应力12.5 MPa，应力集中系数为1.5、2.0、2.5时，顶板下沉量分别为238.7 mm、380.8 mm、561.7 mm；底鼓量分别为328.8 mm、547 mm、827 mm。可见当前支护参数下，回采巷道未受采动影响时围岩顶底板变形量为302.6 mm，巷道断面收敛10.08%；当回采巷道受超前应力集中影响为正常值的1.5倍时，巷道顶底板变形量为567.5 mm，巷道断面收敛提高9.89%；随着回采巷道进入采动影响剧烈区域，应力集中程度达到2.5倍时，巷道断面收敛高达46.29%，较大的收敛量使得回采巷道难以保证通风及运料的正常进行。为使回采巷道通风、运料正常，常采用巷道卧底、刷帮工艺扩大巷道断面，巨大的施工量使得现场工人劳动强度激增。因此需要合理优化现有支护参数以减少回采巷道受到的采动影响。

3.2 巷道围岩全长锚固支护优化设计

锚杆全长锚固有别于端头锚固，通常当锚固长度大于锚杆长度的90%时称为全长锚固。全长锚固锚杆和围岩能够更加有效地粘结，使得巷道浅部围岩稳定性增加。回采巷道一般为煤层巷道，巷道帮部为煤体，围岩变形量大，使用全长锚固支护可以提供更好的支护效果。因此引入全长锚固工艺对11123工作面上巷道进行支护参数优化，将原有端头锚固优化为全长锚固。锚杆采用D22 mm×2 500 mm，支护间排距优化为800 mm×800 mm、850 mm×850 mm及900 mm×900 mm三种支护形式并配合锚索进行支护，采用FLAC3D对三种支护参数进行计算，计算结果如表3所示。

表3 巷道顶、底板位移量统计

综上可以看出，全长锚固支护技术的支护效果更优，证明在回采巷道中使用全长锚固优于端头锚固。方案1在原有支护参数基础上运用全长锚固+锚索支护方式，并优化了支护间排距，支护效果良好。然而在回采巷道受超前集中应力影响剧烈区，巷道变形仍偏大，因此需要对该区域进行顶板临时支护措施。

3.3 回采巷道应力集中区顶板管理技术

3.3.1 锚网索支护巷道

1) 采取挑棚加强支护。上巷道在未使用超前掩护液压支架前，距工作面煤壁0～20 m范围内支设两排走向挑棚，距煤壁20～30 m范围内支设1排走向挑棚；下巷道距工作面煤壁0～20 m范围内支设两排走向挑棚，距煤壁20～40 m范围内支设1排走向挑棚。

2) 挑棚使用单体配合4.5 m长矿11号工字钢梁支设。一梁四柱，柱距均匀。若巷道压力显现强烈，顶板破碎，可增加1排挑棚，除密集支柱和端头大棚支柱外，所有支柱须穿铁鞋。

3) 挑棚要架设正规，成一条直线，单体迎山有劲，支柱应支到实底，活柱行程不低于200 mm，不得超高使用，三用阀不得正对人行道，初撑力不小于90 kN。工字钢梁续接间距不大于300 mm。当锚网巷道变形严重，顶板压力明显增大时，在上述支护方式基础上加密单体支柱、增加挑棚排数或增加超前支护范围。

3.3.2 U型棚支护巷道

1) 采取锚索梁配合挑棚加强支护。回采巷道中距工作面煤壁0～10 m范围内至少使用两排锚索梁进行加强支护；距煤壁10～20 m范围内，使用单排锚索梁进行加强支护。同时上下巷道在0～20 m范围内至少支设1排走向挑棚。

2) 锚索梁支护为4.5 m长矿用11号工字钢配合不少于4根D21.8 mm×6 500 mm锚索走向布置，锚索间距均匀。挑棚使用单体配合4.5 m长11号工字钢梁支设。一梁四柱，柱距均匀。

3) 巷道压力较大地点，在锚索梁下方增加单体点柱(一梁三柱)进行支护。局部压力大的地点可视现场情况增加1排工字钢挑棚或增加超前支护范围。如顶板破碎，锚索无法施工时，可改为工字钢挑棚支护，使用4.5 m工字钢挑棚“一梁四柱”支设。

4 工程应用及监测

潘二矿11123工作面上巷道围岩支护工程中，采用锚网索支护形式，其中锚杆采用全长锚固形式，为及时客观地评价巷道在回采期间的支护效果，为设计参数、施工工艺的合理性和巷道加强支护进行动态管理提供科学依据，通过监测巷道围岩表面位移对回采巷道进行矿压监测。在距离工作面煤壁300 m处的回采巷道中开始设第一测站，依次每间隔220 m设1个测站，总共设置3个测站。测站3处巷道表面位移监测结果如图2所示。

由图2可见，测站3处巷道围岩顶底板随着采煤工作面的推近变形量逐渐增大。当邻近采煤工作面115 m时，巷道围岩变形速率增大。围岩顶底板变形量最大为734 mm，经简单修护，可满足工作面通风、运料需求。