回采巷道超前应力分布规律与支护技术研究

李 钰

(山西兰花集团 莒山煤矿有限公司， 山西 晋城 048027)

回风顺槽是保证工作面回风及辅助运输的重要通道，为工作面生产提供了安全作业空间。为确定合理超前支护方案，以莒山矿f3101综采工作面回风顺槽为工程背景，分析巷道超前应力分布规律及超前支护参数，以得出合理的超前支护方案。

1 工作面概况

f3101工作面所采的3号煤层位于山西组下部，煤层厚5.5～8.15 m，平均厚6.18 m，煤层结构简单，含0～2层矸石。该煤层稳定可采，煤层顶板以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩为主，局部发育薄层泥岩伪顶；底板岩性为泥岩、砂质泥岩。工作面设计长度150 m，推进长度1 200 m，采用综放工艺回采，采2.2 m，放4.0 m，端头不放煤。

f3101回风顺槽沿底板沿空掘进，巷道设计为矩形断面，巷道东侧为区段煤柱，西侧为f3203工作面，尺寸为4 000 mm×3 000 mm，考虑支护厚度，回风顺槽掘进断面设计尺寸为3 200 mm×3 100 mm. 巷道采用锚杆及锚索联合支护，顶板锚杆采用高性能螺纹钢锚杆，规格为d20 mm×2 000 mm，顶锚杆和帮锚杆间排距均为800 mm×800 mm；锚索d15.24 mm，长度为8 300 mm，采用2-0-1-0方式布置，间排距为1 600 mm×1 600 mm.

2 超前应力分布规律研究

采用FLAC3D模拟软件建立数值计算模型，模拟不同推进距离下工作面巷道超前应力分布规律，模型长为300 m，宽为250 m，高为80 m，模型底部限制垂直位移，前后及左右限制水平位移，采用摩尔-库伦准则，煤岩体物理力学参数见表1.

表1 岩层物理力学参数表

不同推进距离下工作面垂直应力分布云图见图1，由图1可知，工作面推进100 m时，超前支撑压力影响范围约为50.5 m，其中高应力影响范围为工作面前方5～25 m，垂直应力值为8.0 MPa～12.0 MPa，其中应力最大值出现在工作面前方7.5 m处，应力集中系数约为1.60；当工作面推进至200 m时，超前应力影响范围为工作面前方57.5 m，其中高应力区为工作面前方4～28 m，支撑应力值为10～14 MPa，应力峰值为14 MPa，在工作面前方约8 m，应力集中系数为1.87；当工作面推进300 m时，超前支撑应力为工作面前方约60 m，其中高应力区为工作面前方4～30 m，应力值为10～15.4 MPa，应力峰值在工作面前方约8.5 m，应力值为45.4 m，应力集中系数为2.05.

图1 不同推进距离下工作面覆岩垂直应力云图

进一步分析可知，随着工作面的持续推进，超前应力影响范围呈小幅度增大趋势，高应力区域范围小幅度增大，应力峰值也呈小幅度增大趋势，应力峰值在工作面前方7.5～8.5 m，为12～15.4 MPa. 根据数值模拟可知，为保证巷道围岩有效控制，在工作面高应力区域内应进行超前加强支护，综合考虑可确定，超前支护范围为工作面前方30 m.

3 超前支护方案研究

3.1 支护强度分析

f3101工作面回风顺槽顶板为泥岩及砂质泥岩，巷道掘进阶段顶底板及两帮围岩体应力会重新分布，巷道围岩体力学性质变差，强度降低，巷道成形后在一定范围内存在破碎岩层，根据弹性理论，巷道围岩破碎区域高度按下式计算[1-3]：

h0=RP-h

(1)

式中：

Rp—岩石破碎带半径，m；

h—非圆巷道等效圆中心至顶板的高度，m，换算取1.90.

Rp按式(2)计算：

(2)

式中:

R0—非圆形巷道的等效面掘进半径，m，取2.56；

r—岩体岩重，kN/m3，取25；

z—巷道中心距地表深度，m，取最大值300；

φ—煤体内摩擦角，(°)，取28；

C—煤体黏结强度，kN/m2，取960.

计算得：h0=1.47 m

巷道最大围岩压力可按下式计算：

q=K1·K2·h0·γ

(3)

式中：

K1—上工作面采动残余影响系数，取1.8；

K2—本工作面二次采动影响系数，取2.0.

将各参数代入计算得q=132.42 kPa，即超前支护强度不低于0.132 MPa.

3.2 超前支护方案分析

根据上述分析，结合f3101回风顺槽实际支护情况，确定使用3×ZQL2×3500/15/30型窄型分体式超前支架组进行超前支护，支架主要技术参数：分体式支架型式；支护范围30 m；支护高度1.5～3.0 m；工作阻力21 000 kN，P=39.6 MPa；初撑力17 500 kN，P=30.0 MPa；支护强度0.14 MPa；支护宽度2.4～4.0 m；电液控制方式。

该支架组由3组6架组成，双列分体式布置于巷道两侧，移架步距为800 mm，顶梁相邻侧装有侧翻梁。每组支架相邻两架之间，顶梁底座之间连接有防倒调偏油缸，对应底座间连接有双排推移油缸，互为支撑实现自移。支架采用窄型四连杆机构，设计有窄底座、窄连杆及掩护梁，适应回风顺槽空间运输、安装等要求，有效降低了风阻面积，各支架单元采用铰接式顶梁、前、后梁以及挑梁结构，挑梁可旋转大于90°，提高了对巷道顶板支护的适应性。

4 应用效果

3×ZQL2×3500/15/30型窄型分体式超前支架组已用于f3101回风顺槽，目前工作面已经推进600余米，在实际应用过程中巷道顶板最大下沉量为92 mm，两帮最大移近量为83 mm，整个使用期间无压架现象。此外，在使用期间，支架在反复承载过程中巷道顶板岩体基本保持完整稳定状态，顶板锚杆及锚索未受破坏，表明3×ZQL2×3500/15/30型窄型分体式超前支架可有效维护回采巷道围岩稳定，保障工作面回风顺槽作业空间的安全。

5 结 论

结合莒山矿f3101工作面实际开采地质条件，通过数值模拟分析了巷道超前应力分布规律，确定了巷道超前支护范围为工作面前方30 m，采用分体式超前支架组进行超前支护，确定了巷道超前支护参数，并得出巷道超前支护方案。实践表明，巷道超前支护效果良好，可以满足工作面安全生产要求。