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高阳煤矿3203工作面回采巷道超前支护段围岩控制策略

2024-12-12 52 上传者：管理员

摘要：为解决综放工作面回采巷道超前支护段存在的围岩变形控制效果差、工作人员劳动强度高等问题，以3203综放工作面为研究对象，提出将注浆锚索应用到超前支护中，通过主动支护(注浆锚索及巷道原有锚网索支护)与被动支护(单体支柱+π型钢)相互配合，共同抵御采动压力影响，维护回采巷道围岩稳定。结合3203综放工作面采动压力影响范围，给出锚索及单体支柱+π型钢布置方案，并分析现场应用效果。工程实践表明，3203综放工作面运输巷采用注浆锚索后，巷道围岩变形量大、支护体系失效等问题得以较好解决，其中顶板、巷帮最大变形量分别控制在321 mm、552 mm以内，围岩变形在可控范围内。研究成果可为其他类型的综放工作面回采巷道支护提供经验借鉴。

关键词：
回采巷道
围岩控制
煤炭生产
综放开采
采动压力
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回采巷道是煤炭生产系统重要组成单元，用以采面通风、运输以及行人等，确保回采巷道围岩稳定性控制效果会直接影响煤炭生产安全保障能力[1]。综放开采具有煤炭产量高、生产工艺简单等优点，但是煤炭开采时采动压力显现更为明显且影响范围更广，容易导致回采巷道围岩带来较大破坏，增加巷道围岩稳定性控制难度，为确保回采巷道正常使用需超前采面一段距离对巷道围岩进行强化支护[2-3]。现阶段大多数矿井综放工作面回采巷道超前支护采用单体+工字钢或超前支架方式，均不同程度面临支护强度偏低、工作人员劳动强度大、锚杆(索)失效以及引起顶板破碎等问题[4]。为此众多的学者及工程技术人员对巷道超前支护技术展开研究，并提出采用新型超前支架、注浆锚索主动支护、锚网索梁支护、分区支护等多种支护方式，工程应用也取得较好效果[5-7]。文中就结合以往研究成果，并以高阳煤矿3203综放工作面回采巷道围岩控制为工程背景，对回采巷道围岩变形特征进行分析并提出综合注浆锚索、单体支柱方式控制围岩变形，工程应用取得显著效果。

1、工程概况

高阳煤矿现阶段生产主要集中在3号煤层，煤层厚度均值为5.9 m、倾角3°～6°,煤层中部靠上位置夹杂有厚度0.35 m的砂质泥岩煤矸石，3号顶底板岩性以砂质泥岩、泥岩以及中粒砂岩为主，具体煤层顶底板岩性柱状图如图1所示。3号煤层埋深均值为420 m, 煤层原始瓦斯含量为4.6～6.9 m3/t, 经鉴定现开采水平无煤与瓦斯突出危险性，煤层自燃发火倾向性为II类(自然发火期介于95～159 d)、煤尘具有爆炸危险性。

图1 3号煤层顶底板岩层柱状图

3号煤层3203综放工作面设计走向、倾向长度分别为2 980 m、265 m, 采面采用一进一回的U型通风方式，采面设计采高为3.2 m、放煤高度为2.7 m.以往3号煤层综放工作面回采巷道超前支护均采用单体支柱+π型钢组合方式，其中回风巷超前支护距离控制在50 m以上，采用“一梁四柱”布置方式，棚距在0.6 m; 运输巷超前支护距离控制在40 m以上，采用“一梁三柱”布置方式，棚距为0.8 m.受3号煤层一次开采厚度大、顶板承载能力差以及采动压力显现明显等多因素影响，采面回采巷道超前支护范围内巷道围岩变形严重，呈现出顶板下沉、底板底鼓以及巷帮收敛严重等特点，其中顶底板累积变形量可超过800 mm, 同时矿井现阶段采用的超前支护方式也不同程度存在适应性差、围岩控制效果不佳、巷道返修工程量大等问题，在一定程度上制约采面煤炭高效回采。

2、回采巷道超前支护段围岩控制技术

依据3203综放工作面现场地质条件及回采巷道围岩变形特征，提出将注浆锚索应用到回采巷道超前支护中，并与原有的单体支护相配合实现超前支护段围岩变形有效控制。

2.1 注浆锚索围岩变形控制原理

将注浆锚索应用到综放工作面回采巷道超前支护，通过注浆将浅部破碎煤岩体胶结为完整结构体，起到提升煤岩体力学性能及抗变形能力，同时与原有的锚杆、锚索等相互配合提高支护体系稳定性；同时深部岩体在注浆作用下强度及完整性也得以提升，增强了注浆锚索及普通锚索锚固端可靠性。具体注浆锚索围岩变形控制原理如图2所示。

图2 注浆锚索围岩变形控制原理

注浆锚索主要起到提高岩体强度及完整性、改善锚固端承载能力以及优化围岩受力环境效果，具体表现为：①提高岩体强度及完整性。注浆后破碎岩体的刚度、强度及自身承载能力等均得以提升，并改善围岩与原支护体系协同效果，提高围岩完整性。具体注浆锚索提高顶板岩体完整性示意图如图3所示。②改善锚固端承载能力。注浆浆液在锚杆及锚索锚固端岩体裂隙中扩散并形成不规则的网状结构，达到提升锚杆及锚索锚固端岩体整体承载能力效果。同时浆液可充填原有锚杆及锚索钻孔孔隙，起到全锚效果，并与岩体相互配合起到抵御岩体离层、错动效果。③优化围岩受力环境。通过注浆锚索进行主动支护，将巷道顶板岩层由“二向应力”状态转换“三向应力”状态，起到优化围岩受力环境并抑制顶板岩体内部裂隙发育、增强岩体完整性效果；同时可在锚杆及锚索锚固区形成刚度及强度较大的承载结构单元。顶板岩体受力状态优化后，有助于锚杆及锚索上施加的预紧力通过钢带、托盘等构件向外扩散，进一步改善围岩受力环境并提高支护体系围岩控制效果。

图3 注浆锚索提高顶板岩体完整性示意

2.2 超前支护策略

依据3203综放工作面工程地质条件及回采巷道超前支护段现有支护措施围岩控制效果，提出在3203综放工作面运输巷采用差异化超前支护方法。依据与采面间距、超前支承压力影响程度等确定超前支护方法。

2.2.1 注浆锚索全范围加固

1) 注浆锚索补强布置参数。在3203综放工作面运输巷内顶板1排布置2根规格Φ21.8 mm×6 200 mm的中空注浆锚索，布置间排距为1 800 mm×1 600 mm, 注浆锚索垂直巷道顶板布置；注浆锚索使用1根厚度3 mm、宽×长=250 mm×2 400 mm的W钢带连接，配套使用的规格300 mm×300 mm×16 mm的球形托盘；预先施加150 kN以上的预紧力。

2) 锚索注浆时机。依据3203综放工作面超前支承压力分布情况以及回采巷道顶板岩体裂隙发育情况确定锚索注浆加固时机，具体注浆可分为两种情况：①当回采巷道顶板破碎时，施工完注浆锚索即可进行注浆工作；②回采巷道顶板较为完整，但是在采动压力影响下导致顶板裂隙发育，此时结合3203综放工作面超前支承压力分布范围(超前采面45～55 m),确定注浆加固时机为超前工作面40～45 m, 通过注浆控制顶板岩体裂隙扩展。

2.2.2 单体差异化布置

具体3203综放工作面运输巷超前支护设计如图4所示。①在运输巷超前采面0～50 m范围内使用密集单体支柱+注浆锚索进行支护，具体为：按照“一梁三柱”方式进行超前支护，单体间排距为1 800 mm×2 400 mm, 并与注浆锚索相互配合共同抵御采动压力影响，确保运输巷围岩稳定，具体支护断面如图4(a)所示。②在运输巷超前采面50～100 m范围内，使用单体支柱+注浆锚索进行支护，具体为：按照一梁两柱方式进行超前支护，由于该范围受采面采动压力影响较小，为此仅将单体布置在靠近巷帮的位置，单体间排距为3 600 mm×2 400 mm, 并与注浆锚索相互配合共同抵御采动压力影响，确保运输巷围岩稳定，具体支护断面如图4(b)所示。③在运输巷超前采面100 m以外范围内，仅使用顶板布置的2排注浆锚索进行支护，具体支护断面如图4(c)所示。

图4 围岩差异化超前支护示意(单位：mm)

3、运输巷围岩控制效果分析

在运输巷内布置2个测站并使用“十字观测法”观测巷道围岩变形情况，其中1号测站布置在运输巷距离停采线2 780 m处的顶板较为破碎区域，2号测站布置运输巷距离停采线2 560 m处的顶板正常区域。具体监测结果如图5所示。

图5 围岩变形监测结果

从图5可以看出：①1号测站顶板、回采帮及煤柱帮最大变形量分别为321 mm、302 mm、250 mm, 2号测站顶板、回采帮及煤柱帮最大变形量分别为213 mm、223 mm、171 mm, 1号及2号测站围岩变形相差较大的主要原因为1号测站位置围岩裂隙发育，而2号测站位置围岩较为完整。②测站顶板及巷帮变形量随着与采面间距缩小呈逐渐增加趋势，且与采面间距越小(受采动压力影响越明显)变形量增加速度越大。③在整个监测周期内，2个测站的围岩变形量均在允许范围内，可满足巷道使用需要，同时巷道支护用的锚杆、锚索、金属网及钢带等均未出现失效、破断等问题，顶板岩体未有冒落、大变形等征兆。

4、结语

1) 注浆锚索可起到提高岩体强度及完整性、改善锚固端承载能力以及优化围岩受力环境效果，通过充分发挥围岩自身承载能力及原有支护体系支护效果，起到降低采动压力影响目的。同时在采动压力影响明显范围内，通过增设单体+π型钢提高支护强度，避免顶板冒落、大范围离层以及顶板下沉量大等问题。

2) 在3203综放工作面运输巷布置注浆锚索后，巷道抗变形能力得以显著提升。在超前支护范围内，运输巷顶板及巷帮最大变形量分别控制在321 mm、552 mm以内，同时运输巷未出现支护体系失效、顶板金属网网兜等情况，运输巷围岩变形量在可控范围内，可满足运输巷使用需要。

参考文献:

[1]田兆川.厚煤层超长综放工作面超前支护距离及参数确定[J].煤,2023,32(9):89-91.

[2]李汝俊.综放工作面回采巷道超前支护技术优化探析[J].西部探矿工程,2023,35(9):120-122.

[3]段继全.长平煤矿回采巷道主动式超前支护强度校核及可行性评价[J].能源与环保,2023,45(8):312-318.

[4]张云宏,张艳宏.煤矿回采巷道围岩应力演化规律及超前支护可行性研究[J].能源与环保,2023,45(8):284-291,297.

[5]雷承胜.综放工作面回采巷道超前支护优化[J].机械管理开发,2023,38(8):119-120,123.

[6]潘子恒.主动支护技术在综放工作面回采巷道超前支护中应用[J].中国矿山工程,2023,52(2):64-69.

[7]吴彬.补强锚索在综放工作面回采巷道超前支护方式中的应用[J].煤炭与化工,2023,46(7):38-43.

文章来源:赵泽博.高阳煤矿3203工作面回采巷道超前支护段围岩控制策略[J].煤,2024,33(12):78-80+88.