高强度综采工作面巷道围岩控制技术研究

张江浩

（阳城县阳泰集团实业有限公司，山西 阳城 048100）

1 工程概况

阳泰集团西沟煤业3703 综采工作面地面标高+680～+725 m，井下标高+560～+580 m，位于3#煤层七采区北翼，煤层均厚4.23 m。3703 工作面设计长度320 m，可采长度约1440 m，参考邻近3701综采工作面生产经验，工作面每天推采16 个循环（12.8 m），属于高强度开采工作面。回采期间，工作面两侧顺槽矿压显现强烈，围岩变形过度、返修频繁。为避免3703 工作面出现类似问题，以3703 辅运顺槽为例，研究围岩变形规律及支护方案。

2 高强度综采面巷道变形规律研究

3703 辅运顺槽采用矩形断面，锚网索支护，巷道毛宽5.4 m，毛高3.8 m，顶板采用锚网＋锚索联合支护。锚杆直径22 mm，锚杆长度2200 mm。顶锚杆垂直于顶板布置，考虑施工因素，允许存在5°的偏差，每排6 根，间排距1000 mm，距两帮各200 mm，顶板锚杆的预紧力扭矩不低于200 N·m。菱形金属网，长5000 mm，宽1200 mm。顶板锚杆间均采用π 型钢带，同排锚杆间钢带长5200 mm，宽度140 mm，厚8 mm，限位孔间距1000 mm；顶板锚索为Φ28.6 mm 的钢绞线锚索，长度8000 mm，垂直于顶板打设（考虑施工因素，可以存在5°的偏差），布置于两排锚杆之间，“三·三”隔排布置，间排距为2100 mm×2000 mm，距巷帮600 mm。巷帮支护采用锚杆+塑料网，垂直于巷帮布置，回采帮锚杆直径31 mm，长度2100 mm，每排5 根。3703 辅运顺槽原支护详情如图1（a）。

图1 巷道原支护方案及数值模型示意图

高强度开采工作面主要体现在三方面：采高大、推采速度快、工作面长度长[1-2]。采用FLAC3D进行数值模拟试验研究，模型采用摩尔-库伦弹塑性模型[3]，尺寸长、宽、高=500 m、400 m、125 m，模型四周边界设定竖直固定约束，底面边界设定水平固定约束。模型如图1（b）。

为分析工作面推采速度对矿压特征的影响，设计模拟试验时工作面推进速度分别为7 m/d、10 m/d、13 m/d。模拟计算时首先进行工作面两侧顺槽的开挖和支护，然后进行工作面回采模拟，在工作面前方布置测线，测量工作面回采期间前方煤层内垂直应力的变化规律，并监测工作面前方5 m 处巷道围岩变形情况，整理得到图2 所示结果。

图2 工作面矿压特征模拟结果

由图2（a）可知，工作面前方超前支承压力呈现骤然增大然后缓慢减小并最终稳定。工作面回采60 m 时，不同推进速度条件下，支承压力峰值差别不大，为12.5～13.6 MPa 之间，超前影响范围约为40 m；工作面回采120 m 时，超前支承压力峰值显著增大。推进速度为7 m/d、10 m/d、13 m/d 条件下应力峰值分别为16.9 MPa、19.1 MPa、20.2 MPa，随着工作面推采速度增大，超前支承压力峰值增大，工作面超前支承压力影响范围达到80 m。

图2（b）、（c）所示为工作面回采120 m 时工作面前方10 m 处巷道位移变化曲线。分析可知，随着推进速度的增大，巷道表面变形量明显增大，推进速度为7 m/d、10 m/d、13 m/d 条件下顶板最大下沉量分别为138 mm、181 mm、312 mm，回采帮最大水平位移分别为121 mm、208 mm、402 mm。推进速度为13 m/d 较推进速度7 m/d 时顶板下沉量增长1.26 倍，回采帮内移量增长2.32 倍，表明工作面推进速度较大对于巷道动压影响更明显，是导致巷道围岩变形过大的重要因素。

3 高强度综采面巷道控制技术

高强度开采工作面不同于常规的综采工作面，此类工作面具有超前支承压力影响范围大、支承压力峰值高、动压影响剧烈特点，回采巷道更易失稳破坏，据此结合3703 辅运顺槽原有支护方案设计其补强支护方案：1）顶板补强支护：一方面在顶板锚索所在位置补打锚杆，施工在3 根锚索之间，每排补打两根，规格同原顶板支护；另一方面超前回采工作面80 m 范围内的顶板采用单体柱进行超前支护，每排3 根，布置间排距2.0 m。2）煤柱帮补强支护：在煤柱帮原锚杆支护之间补打三根长锚索，锚索规格Φ28.6 mm×8000 mm，同排锚索交替采用π 型钢带联结，相同高度的三列锚索分别采用π 钢带联结；3）回采帮补强支护：同样在原锚杆支护之间打设长锚索，锚索采用“一二一”布置，排距1.0 m，相同高度的三列锚索分别采用π 钢带联结。3703 辅运顺槽补强支护如图3。

4 方案可行性及效果考察

4.1 模拟验证

采用FLAC3D软件模拟研究3703 辅运顺槽采用上述补强支护方案的可行性[4]，设计工作面推采速度为13 m/d。工作面回采120 m 条件下，超前工作面10 m 处巷道围岩变形情况如图4。原支护方案条件下，顶板岩层发生垂直位移的范围较大，下沉量最大达到185.6 mm，两帮围岩发生水平位移的范围也较大，两帮相对移近量达394.5 mm；补强支护后，顶板和两帮发生明显位移变形的范围减小，顶板下沉量为106.2 mm，两帮移近量为238.4 mm，较原支护分别减小42.8%、39.6%，巷道表面变形量明显降低，说明补强支护方案较合理有效。

4.2 实际支护效果验证

3703 工作面回采前，依前文所述补强支护方案对3703辅运顺槽进行加固，巷道表面整体光洁平整，断面无明显的变形，顶板未出现明显下沉，消除了两帮内移，支护效果较好。相较于3701 工作面巷道返修费用减少了约20 万元，平均日产量提高了936 t，取得了良好的经济效益。

5 结论

西沟煤业3#煤层综采工作面属于高强度开采工作面，为保障工作面两侧回采巷道围岩稳定，运用数值模拟手段进行研究。研究表明，高强度开采工作面具有超前支承压力影响范围大、峰值高的特点，回采巷道超前矿压显现更为强烈，预计现有支护无法满足支护要求。根据高强度开采工作面矿压特征设计3703 辅运顺槽补强支护方案，数值模拟研究验证表明，补强支护方案可使巷道顶板下沉量、两帮移近量分别减小42.8%、39.6%。3703 辅运顺槽现场工程实践表明，补强支护后巷道围岩稳定性良好，保障了矿井高强度综采工作面的安全高效生产。