综放开采回采巷道超前支护优化研究

郝文敏

(山西汾西正文煤业有限责任公司，山西 孝义 032300)

综放工作面具有产量高、效益好等优点，但是回采过程中引起的采动压力显现更为显著、超前支承压力影响范围更大[1-2]。在采面超前支承压力影响范围内，需采取超前支护措施确定回采巷道围岩稳定，为通风、行人及运输等创造良好条件[3-5]。众多的工程技术人员及学者对综放开采回采巷道超前支护技术展开研究，李建成等[6]提出了一种用于回采巷道超前支护的探式支架；卢前明等[7]针对三软煤层回采巷道在采动压力作用下围岩控制困难问题，基于先让压后进行二次加固原则对巷道围岩进行控制，并依据现场情况设计工字钢、三节梁、辅助梁等支护设备布置参数。现阶段矿井回采巷道超前支护方式以液压支架、单体配合铰接钢梁方式为主，现场普遍存在安全性低、工作人员劳动强度大等问题，对综放工作面大断面回采巷道适应性差。为此，本文对采面现采用的超前支护方式存在问题进行分析，并提出超前支护优化措施，以期在一定程度上提升采面超前支护效率及安全保障能力。

1 工程概况

山西某矿井田面积为15.65 km2，15305综放工作面位于3采区，回采15号煤层，煤厚5.3 m，煤质为发热量高、灰分及硫分均较低的优质动力煤，采面设计走向推进长度997 m、斜长189.8 m。

2 存在问题分析

2.1 超前支护工艺

回采范围内15号煤层顶底板岩性如表1所示。15305综放工作面回采巷道围岩采用锚杆+钢带+锚索+钢筋梯子梁+塑料网支护方式，支护断面如图1所示。支护锚杆为D20 mm×2 400 mm螺纹钢，间排距700 mm×2 000 mm，预紧力50 kN；锚索为D21.6 mm×7 500 mm钢绞线，间排距1 200 mm×2 000 mm，施加150 kN以上预紧力；梯子梁采用16号圆钢焊接，长度2 500 mm、宽度80 mm，梯子梁安装间距为2 000 mm；钢带长度4 000 mm、带距2 000 mm，在钢带上有开孔便于锚杆安装。根据采面回采作业规程，回采巷道超前支护采用单体+铰接钢梁方式，在采面前方20 m范围内按照一梁三柱方式布置，柱间距为1 000 mm、梁间距为1 000 mm；在超前采面前方20～50 m范围在靠近采面帮布置1排单体，按照2 000 mm柱间距支护顶板。

表1 15号煤顶底板岩性参数

图1 巷道支护断面图(mm)

2.2 超前支护存在的问题

1) 15305综放工作面回采巷道超前支护段采用原有支护系统、单体支护配合对围岩进行控制。单体支护为被动支护，同时支护面积较小，容易导致巷道顶板下沉，同时反复支撑容易导致顶板岩层破碎。

2) 超前支护使用的单体型号为DZ型，类型包括3.5 m、4.0 m、4.2 m，单根单体重量普遍超过80 kg，单体搬运劳动强度大；生产时甚至需要在准备班安排6～7名工作人员前移单体，用工数量多，劳动强度大，在一定程度上影响超前支护效率。

3) 采面回采巷道高度一般在3.2 m，但是局部存在超高段，巷高达到4.0 m，超高段超前支护时工作人员需要登高作业，安全系数低，坑木消耗量较大。

4) 通过适当增加单体布置柱距及排距，虽然可提高回采巷道顶板支护强度，但是会占用超前支护段巷道内空间，导致巷道有效通风面积降低，影响通风效率。

3 超前支护优化

3.1 超前支护优化方案

根据15305综放工作面回采范围内煤层赋存特征、巷道支护参数以及现有超前支护存在的问题，提出了在采面回采巷道超前支护段采用注浆锚索代替部分单体支柱对顶板进行支护的方案。结合邻近矿井15号煤层综放工作面超前支护设计，具体优化前后的回采巷道超前支护断面如图2所示。

图2 优化前后超前支护断面(mm)

采面前方0～20 m超前支护区采用单体+注浆锚索方式进行超前支护。单体沿巷道中心线布置1排，单体柱间距为2 000 mm。在邻近的2根单体之间布置1排注浆钻孔，注浆钻孔共计3个，巷道中线位置1个、与巷帮间距1 200 mm位置各1个；注浆锚索均为规格D22 mm×7 500 mm的中空锚索，注浆浆液为水泥单液浆，注浆压力均为5 MPa。具体注浆锚索结构如图3所示，技术参数见表2。

图3 中空注浆锚索结构示意

表2 中空注浆锚索技术参数

3.2 超前支护优化效果

为掌握优化后超前支护段围岩支护效果，在超前支护段采用钻孔窥视仪(型号LHGX-K3)窥视顶板裂隙扩展情况。具体钻孔窥视成果如图4所示。

图4 钻孔窥视成果图

超前支护段测点在远离采面位置处时，由于受采动影响较小，顶板岩体裂隙不发育、完整性较高；随着采面与测点间距不断减小，顶板裂隙扩展程度呈增加趋势，测点距采面10 m时顶板3 m、5 m位置岩体中发育有5～10 mm裂隙，顶板破碎程度有所增加；当测点距采面1 m时，顶板3 m、5 m位置岩体中裂隙发育宽度增加至10～20 mm，顶板岩体破碎程度明显增加。虽然在采动作用下顶板裂隙发育程度增加，通过注浆锚索及单体采面超前支护段围岩始终保持稳定。监测发现，采用单体+注浆锚索超前支护方式时，超前支护段顶板最大下沉量控制在65 mm以内，下沉量整体较小。

超前支护用注浆锚索支护，提高了巷道顶板岩体稳定性及支护体系强度；单体提高了超前支护段支护刚度。通过对超前支护进行优化，可明显减少单体支柱使用量以及作业人员劳动强度，同时可增加巷道超前支护段通风面积，改善通风效果。

4 结 语

1) 文中对15305综放工作面回采巷道超前支护现状及存在问题进行分析，采面现采用的超前支护方式虽然可满足围岩控制需要，但是由于超前支护段单体布置间排距较小、占用巷道断面大，导致超前支护面临劳动强度大、通风有效范围小等问题，给采面瓦斯治理工作开展带来一定影响。

2) 提出综合使用单体+注浆锚索方式支护围岩，通过注浆提高超前支护段巷道顶板稳定性及承载能力，同时提升原有支护系统围岩控制效果；在巷道中线布置1排单体，提高顶板表面支护作用力。依据现场情况对超前支护方案进行设计，并进行工程应用。结果表明，对巷道超前支护进行优化后，在超前支撑影响区内巷道顶板完整性较强，回采期间顶板最大下沉量控制在65 mm，取得了较好的超前支护效果。