充填工作面超前支护优化

充填工作面超前支护优化

刘银 李月岭

山东能源 集团 枣矿集团岱庄煤业公司 山东 济宁 277606

摘要：当前，煤矿开采生产过程中，为达到提升现场作业安全性、确保矿山行业可持续发展目标，一般选择膏体充填技术实施开采，而在具体生产过程中，为避免地表呈现、地面建筑物损毁问题，很多矿山企业均选择超前支护技术，但结合某煤矿实际生产现状来看，原有支护设计形式不仅造成了资源的浪费，充填开采效率的降低，还加大了采煤人员的劳动强度，为此，本文以某煤矿31335工作面对象，通过对作业面前方采动支承压力实测情况研究，了解了该作业面支承压力分布特征，从而对超前支护方案进行了合理优化，为降低工人劳动强度、提升充填开采效率提供了技术支撑。

关键词：膏体充填；矿压显现；超前支护；方案优化

0引言

某现代煤矿地处城乡结合部，地面建筑物密集，井下煤矿剩余开采量达储量的90%，为减小地表沉陷，工作面采空区进行矸石膏体充填处理，并按照常规综采工作面支护要求进行了工作面两巷超前支护，根据工作面前方采动支承压力实测结果分析来看，发现膏体充填工作面因充填效果较好，矿压显现不太明显。同时，因充填工艺较为复杂，生产过程中辅助工艺严重制约了充填推采速度及生产效率，为此，文章结合作业面实际状况对膏体充填工作面两巷超前支护方式进行了优化，对实现煤矿安全高效生产提供了可能。

1超前支承应力的影响因素

支承应力的影响因素有很多，支承应力的大小和分布规律不仅受到煤体强度、煤层埋深、煤厚和顶底板岩性等自然地质条件的影响，还和工作面的推进速度等开采工艺等因素有关^[1]。各影响因素与支承应力的分布关系如下：

（1）煤层埋深。煤层埋藏深度增加将使支承应力变大，煤壁和支承应力峰值间距离越来越远；

（2）煤层开采厚度。随着煤层一次采出厚度的增加，支承应力峰值大小及其距工作面距离也在变大，同时极限平衡区宽度也会有所加大。

③煤体强度。煤体强度变大时将使工作面超前支承应力峰值点距煤壁距离减小，由于支承应力影响范围及煤的强度的变大，使煤体不易发生破坏，因此，塑性区分布也随之减小^[2]。

2矿井巷道矿压监测及数据分析

文章基于锚索超前支护围岩控制方案的强度计算验证及数值分析，对巷道超前段围岩控制方案进行现场应用，并分别对进风顺槽超前段围岩变形及顺槽断面的锚索轴向受力进行统计。

针对现场采用的分阶段差异施工方案，选择在每一阶段范围均布置测站进行观测，结合矿井生产地质条件，在进风顺槽内超前工作面切眼位置距工作面20m、40m、60m处布置3个测站进行矿压观测。如图1所示。

图1：矿压测站布置示意图

2.1巷道综合监测

根据矿井地质条件，确定超前支护方案的综合监测内容如表1所示，包括围岩位移和锚索受力。

表1：巷道综合监测内容

（1）巷道表面位移

如图2所示，在进风顺槽内的I、II、III测站分别布设测点，对巷道表面位移进行监测，采用“十字”布点方法，布置测点于巷道顶底板及两帮中心处。使用数显收敛计观测两帮的移近量及顶底板变形进行记录，每班完成一次观测，对观测记录的数据进行统计，根据围岩变形及变化速度和工作面位置之间存在的关系，从而获得超前采动应力作用下顺槽变形情况，由此来掌握顺槽变形量在工作面推进过程中的变化，为顺槽的支护提供合理依据^[3]。

图2：表面位移监测断面图

结合测站布置情况，选取各试验段变形数据进行对比分析，比较在采用不同支护形式下的巷道围岩变形，验证采用锚索进行主动支护的应用效果。

随着采面向前推进，进风顺槽不同试验段顶底板及两帮变形量均呈现增长趋势^[4]。取各测站围岩变形最大值进行对比，如图3所示，可以得出：

图3：测站表面位移对比

①随着锚索超前支护技术的分阶段实施，三个测站的变形量逐渐增加，当巷道两帮侧单体液压支柱保留，配套锚索进行超前支护，此时巷道顶底板及两帮变形分别为225mm、188mm；

②当巷道仅在巷道一侧布置单体液压支柱配套锚索进行超前支护，此时巷道顶底板及两帮变形分别为251mm、226mm，相比测站I，围岩变形增大了11%；

③当进风顺槽完全实行锚索超前支护技术，此时巷道顶底板及两帮变形最大，分别为266mm、240mm，相比测站I，围岩变形仅仅增大了18%，围岩整体稳定，变形处于可控状态，由此可知，通过采用锚索对超前段进行支护，可以有效维持巷道围岩稳定，发挥良好的支护作用。

2.2锚索受力监测

根据超前锚索布置形式，由于顶板锚索采用“二一二”布置，在I、II、III测站位置安装无损锚索的MCS-400型测力计，监测锚索受力在采动影响下的变化，如图4所示。

（a）MCS-400型无损锚索测力计 （b）锚索受力监测点布设示意图

图4锚索受力监测断面图

结合锚索轴向受力监测曲线分析，得出不同阶段锚索受力分布情况呈以下特点：

①随着采面向前推进，进风顺槽不同试验段锚索轴向受力逐渐增大，各阶段锚索受力呈现：

②测站I保留原有单体液压支柱进行支护，支护强度较高，对围岩起到有效控制作用，锚索轴向受力相比测站II、III较小；

③随着锚索超前支护方案的分阶段实施，三个阶段锚索轴向受力变化趋势为测站I〈测站II〈测站III，在测站III，由于该阶段完全实施锚索超前支护方案，靠近工作面侧锚索轴向受力为最大282.8kN，是其破断荷载的78%，说明此时锚索强度能够满足围岩稳定所需要的强度要求，承载性能较好，可有效控制围岩变形。

综合以上分析可知，采用锚索超前支护技术对进风顺槽超前段进行补强支护，围岩变形得到有效控制，且通过采用锚索对单体液压支柱进行替换，避免了原来支护方式下因搬运及安装单体液压支柱的繁琐工序，进一步推动煤矿开采向无人化方向发展，提高回采效率^[4]。

3巷道超前支护优化

3.1超前支护距离

在工作面轨道顺槽、皮带顺槽各支设两路超前支护，并采用单体液压支柱配合铰接顶梁支护形式，设计支护长度应不少于20m。结合矿压观测数据分析，充填开采工作面前方受支承压力扰动距离为30m，扰动剧烈的距离为10m，但在工作面前方10m之外煤体应力增长不明显，因此超前支护距离的距离可以适当缩短。

3.2单体液压支柱支设

1）将单体液压支柱纵向、横向布置在同一条线上，误差严格控制在±100mm内。

2）支护设备使用前进行严格检修，确保设备质量，同时要求所有铰接顶梁必须铰接使用。

3）所有单体液压支柱三角阀需与工作面顺槽平行，注液口方向一致，统一朝向充填区。

4）工作面前方25m内，两顺槽高度需大于1.8m，人行道宽度严格限制在0.8m以上。

5）支柱需逐排连接，由5.08mm径钢丝绳连接为一体，钢丝绳末端须固定于顶板钢带或金属网上^[5]，从而有效提升单体液压支柱稳定性，防止单体液压支柱倾倒，

4结束语

通过巷道围岩应力观测，研究得到了工作面超前支承压力影响范围及程度，了解了巷道受超前支承压力采动影响情况，在此基础上对充填工作面巷道超前支护进行了优化。现场应用效果表明优化后的方案明显减轻了工人的劳动强度，提高了支护效率，降低了支护成本，有利于降低工作面综合成本和矿井保安全促生产，取得了良好的经济和社会效益。

参考文献

[1]夏辉，侯克鹏，孙华芬，李琪琪，袁明礼，陈硕.煤矿大断面运输巷道支护技术[J].科学技术与工程，2022，22(05):1835-1841.

[2]倪茂龙.综采工作面软岩顶板支护优化设计[J].能源技术与管理，2022，47(01):66-67+200.

[3]王爱学，曹品伟，夏宁.泉店煤矿近距离煤层同采回采巷道超前支护设计[J].能源技术与管理，2022，47(01):68-70.

[4]赵凯.隧道洞口软岩段超前支护围岩变形控制及施工方法研究[D].西安科技大学，2020.

[5]靳现平.寸草塔二矿主运顺槽超前支护优化研究[D].西安建筑科技大学，2020.