CN112610258A - 一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法，涉及采矿工程技术领域，解决了超前液压支架对顶板反复支撑，以及顶板锚索失效的技术问题。具体步骤包括：在确定的存在冲击地压危险的回采巷道掘进期间施工永久支护；在靠近回采工作面的回采巷道顶板施工注浆锚索，并设置单元式支架；在回采工作面前方施工注浆锚索；随工作面推进利用单轨吊进行循环移架。该支护方法中将回采巷道超前支护区域划分为端头支护区、超前支护I区和超前支护Ⅱ区，并结合锚杆、钢带锚网形成的主动支护结构，以及注浆扩散的加固拱区实现联合支护，联合支护整体加固围岩提升承载能力，单元式支架的设置保证了顶板的完整性，从而提升冲击地压矿井开采的稳定性和安全性。

Description

一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法

技术领域

本发明涉及采矿工程技术领域，尤其是一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法。

背景技术

随着煤炭开采深度的不断增大，以及开采强度的加大，冲击地压灾害越发严重，已成为制约煤矿安全高效开采的主要矿井灾害之一。采煤工作面回采巷道超前段的空间小、设备多、压力大，特殊的空间环境使该区域极易存在安全隐患。在采动支承压力的影响下，回采工作面超前一定范围内两巷矿压显现特征与工作面距离之间呈正相关。同时该区域受采动及多种支承压力影响，矿压显现复杂，巷道维护困难，工作面超前段的安全有效支护一直是矿井围岩控制的重点和难点。另外《煤矿安全规程》第九十七条规定：采煤工作面所有安全出口与巷道连接处超前压力影响范围内必须加强支护，且加强支护的巷道长度不得小于20m。同时，根据《国家煤矿安监局关于加强煤矿冲击地压防治工作的通知》(煤安监技装〔2019〕21号)：具有冲击危险的采煤工作面安全出口与巷道连接处超前支护范围不得小于70m，综采放顶煤工作面或具有中等及以上冲击危险区域的采煤工作面安全出口与巷道连接处超前支护范围不得小于120m，超前支护优先采用液压支架。

智能化开采已成为煤炭开采改革的重要方向，随着电液控等关键核心技术的发展，为实现采煤工作面智能化开采提供了技术支持。当前，有的工作面已经实现了高级自动化，并正在向智能化开采迈进。超前液压支架的机械化程度高、支护强度大、工人劳动强度低，是大型综采工作面常用的支护方式。超前支架其充足的支承力和大面积的支承范围以及自身可靠的稳定性能是单体液压支柱与π梁组成的棚设支护无法比拟的，但正因为其充足的支承力和大面积的支承范围，导致材巷顶板在经过多次反复支承后破碎离层，有时甚至出现局部冒顶现象，同时因超前支架自身体积较大，加之顶板破碎时下沉以及巷道变形等因素非常容易造成巷道有效断面积减小量较大，引起风速超限等安全隐患，同时其较大的支承覆盖面积在支承过程中造成所有顶部锚索外漏部分严重变形，导致锚索托盘无法回收复用引起回采巷道老空区悬顶面积过大，形成了材料的浪费与重大顶板事故。

为实现采煤工作面少人化、无人化，以及智能化开采，推进了采煤工作面效率的逐步上升，与工作面安全生产相配套的超前支护工艺是制约采煤工效提高的重要技术难题。目前冲击矿井采煤工作面超前支护形式所采用超前液压支架，反复支承顶板，造成顶板锚杆索支护结构失效以及顶板破碎，巷道有效断面面积较小影响通风等问题，因此有必要提出一种适用于冲击矿井的超前支护方式，以提高支护效率，维护顶板的完整性，提高回采工作面安全稳定性，最终实现安全高效开采。

发明内容

为了解决超前液压支架对顶板反复支撑，以及顶板锚索失效的技术问题，保证回采巷道断面的面积，本发明提供了一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法，具体的技术方案如下。

一种冲击矿井回采巷道的超前支护方法，其特征在于，步骤包括：

S1.在冲击矿井的回采巷道掘进期间施工永久支护结构，所述永久支护结构包括锚杆、钢带和钢筋网；

S2.在回采工作面的回采巷道超前支护区域施工注浆锚索，所述超前支护区域包括端头支护区、超前支护Ⅰ区和超前支护Ⅱ区，其中在端头支护区和超前支护Ⅰ区还设置单元式支架；

S3.随回采工作面的推进，在回采工作面推进方向上的超前支护区域前方施工注浆锚索，利用回采巷道内的单轨吊将端头支护区内的单元式支架移动至超前支护Ⅱ区，保持回采巷道内的端头支护区、超前支护Ⅰ区和超前支护Ⅱ区各自的超前支护距离不变。

优选的，注浆锚索在施工时每排至少施工3根，两侧的注浆锚索按照倾斜5°～15°施工。

优选的，注浆锚索配置在两排锚杆之间，所述钢筋网贴紧回采巷道顶板布置，钢带压设在钢筋网上，锚杆穿过托盘、钢带和钢筋网后锚固在回采巷道顶板上。

还优选的是，超前支护区域的超前支护距离大于70m；根据工作面超前支承压力调整超前超前支护Ⅰ区支护距离与超前支护Ⅱ区支护距离的比例。

还优选的是，注浆锚索施工时，首先利用钻机打锚索孔，然后安装锚索并采用高压泵进行注浆作业，浆液在围岩内部的裂隙内扩散，最后将围岩胶结为完整的承载体。

还优选的是，单元式支架在回采巷道内单排布置，单元式支架的与采煤工作面一侧的巷帮煤壁的距离为回采巷道宽度的1/3～1/4之间。

进一步优选的是，单元式支架与顶板的接触面积小于锚杆的间排距。

进一步优选的是，步骤S3中，将端头支护区的单元式支架，从单排布置的单元式支架的一端移动至排列的另一端。

进一步优选的是，单元式支架的宽度小于回采巷道宽度的1/3。

进一步优选的是，步骤S1-步骤S3应用于智慧矿山系统的巷道超前支护中。

本发明提供的一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法有益效果包括：

(1)利用注浆锚索和永久支护结构，整体上提高巷道围岩完整性。注浆锚索浆液通过巷道围岩内部原生裂隙及采动影响下所产生的结构面向围岩破碎区渗透，浆液充填结构面的同时使得结构面及其周边结构块体胶结为完整的有效承载体，从而提高围岩完整性，同时改善结构弱面力学性能，以及围岩内部应力环境。注浆锚索的施工提高了岩体内聚力、内摩擦角及弹性模量，进而使得岩体强度及刚度得到一定程度提高，围岩自承能力进一步提高，充分发挥了围岩的自承载作用，使得原本破碎松散且自承力较小的顶板围岩在自承力得到提高的同时成为支护结构的一部分，围岩自承力与外部支护结构支护力协同作用，使巷道整体支护强度得到大幅度提升。

(2)施工注浆锚索还改善了围岩赋存环境。在进行注浆锚索注浆作业时，岩体内部孔隙及裂隙作为浆液扩散途径，同时也是浆液充填对象。浆液进入岩体内部孔裂隙，固化后对裂隙形成一定的“堵塞作用”，同时在浆液压力作用下，围岩内部微小裂隙通过挤压重新闭合，从而在岩体孔裂隙与煤矿井下复杂的水气环境之间形成一道屏障，阻绝了井下水气环境与围岩内部自由面的接触，减小了巷道围岩与井下复杂水汽环境的有效接触面积；降低了围岩与井下水汽发生风化作用的风险，进而有效阻止围岩与空气中水分充分接触而降低围岩的强度。

(3)在超前支护区域施工注浆锚索，形成来了骨架承载结构。浆液通过注浆系统进入巷道围岩，扩散注入围岩裂隙，待其凝固固化，浆液固化结构体将裂隙张开的两壁胶结在一起。由于围岩内部裂隙分布的不规律性，使得浆液固化体在围岩内部形成不规则的网状结构，可提高巷道围岩整体强度。巷道破碎松散围岩进行注浆加固后，围岩固化结构体相较于原巷道围岩韧性更强，可承受适应更大的围岩变形。

(4)单元式支架的支护方式及移架方式，保证了顶板围岩完整性。采用的单元式支架配合单轨吊进行移架，从而克服了传统超前支架反复支撑顶板的问题，保证了顶板结构的完整性。另外单元式支架的布置方式使得回采巷道作业空间的利用率更高，增大了通风面积。

(5)该方法中对超前支护区域进行了划分，并且在回采过程中可以始终保持超前支护区域的支护范围，从而保证了支护的安全，并且支护流程更加简便，不会影响正常的生产。从而对煤炭开采具有重要的理论意义和实践价值，保证了冲击矿井工作面的安全稳定性，以及高效的开采。

附图说明

图1是回采巷道的超前支护区域示意图；

图2是超前支护Ⅰ区的支护平面图；

图3是超前支护Ⅰ区的巷道端面支护结构图；

图4是超前支护Ⅱ区的支护平面图；

图5是超前支护Ⅱ区的巷道端面支护结构图；

图6是单元式支架的移架过程示意图；

图中：1-采空区；2-回采工作面；3-回采巷道；4-煤岩体；5-锚杆；6-注浆锚索；7-钢带；8-托盘；9-单元式支架；10-钢筋网；

A-端头支护区，B-超前支护Ⅰ区，C-超前支护Ⅱ区。

具体实施方式

结合图1至图6所示，对本发明提供的一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法具体实施方式进行说明。

图1中表示了采空区1、回采工作面2、回采巷道3和煤岩体4的空间位置关系，在回采工作面沿回采巷道方向推采的过程中，需要对回采工作面的超前段的回采巷道进行超前支护，将超前支护区域划分为：端头支护区A、超前支护Ⅰ区B和超前支护Ⅱ区C。超前支护区域的超前支护距离不低于70m，具体的超前支护范围可以依据采煤工作面超前支承压力影响范围以及现场施工技术条件确定，端头支护区、超前支护Ⅰ区和超前支护Ⅱ区具体支护距离的长度可根据实际情况调节，一般情况下超前支护Ⅰ区的支护长度取40m，超前支护Ⅱ区的支护长度取30m。

其中端头支护区、超前支护Ⅰ区采用注浆锚索6、单元式支架9组合支护的方式，并与原有的锚杆5、钢筋网10永久支护方式相结合，其布置方式如图2和图3所示。其中注浆锚索6与回采巷道3原有永久支护形成主动式联合支护整体，使整个被加固的围岩更能有效地同锚杆有机的结合为整体，围岩的自身承载能力得以充分发挥。单元式支架沿回采巷道单排布置，并随工作面推进向前交替移动支护。超前支护Ⅱ区利用注浆锚索和永久支护结构联合支护的方式，提供了有效的支护，整体上提高巷道围岩完整性；注浆锚索浆液通过巷道围岩内部原生裂隙及采动影响下所产生的结构面向围岩破碎区渗透，浆液充填结构面的同时使得结构面及其周边结构块体胶结为完整的有效承载体，从而提高围岩完整性，同时改善结构弱面力学性能，以及围岩内部应力环境。注浆锚索的施工提高了岩体内聚力、内摩擦角及弹性模量，进而使得岩体强度及刚度得到一定程度提高，围岩自承能力进一步提高，充分发挥了围岩的自承载作用，使得原本破碎松散且自承力较小的顶板围岩在自承力得到提高的同时成为支护结构的一部分，围岩自承力与外部支护结构支护力协同作用，使巷道整体支护强度得到大幅度提升。

一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法，具体的步骤包括：

S1.在冲击矿井的回采巷道掘进期间施工永久支护结构，永久支护结构包括锚杆5、钢带7和钢筋网10。

一般在冲击矿井中，工作面布置之前会对工作面掘进和回采期间的冲击地压危险进行评价，并划分冲击地压危险区域和冲击地压危险等级。在确定存在冲击地压危险的工作面回采巷道掘进时，施工永久支护结构，包括锚杆5、钢带7和钢筋网10的组合支护，其中钢筋网贴紧回采巷道顶板布置，钢带7压设在钢筋网10上，锚杆穿过托盘8、钢带7和钢筋网10后锚固在回采巷道顶板上，根据矿井实际情况设置锚杆间排距。

S2.在回采工作面的回采巷道超前支护区域施工注浆锚索6，超前支护区域包括端头支护区A、超前支护Ⅰ区B和超前支护Ⅱ区C，其中在端头支护区和超前支护Ⅰ区还设置单元式支架，端头支护区、超前支护Ⅰ区和超前支护Ⅱ区的划分范围随着工作面移动，以及单元式支架9的移动发生变化。

其中，超前支护区域的超前支护距离大于70m，在综采放顶煤工作面或具有中等及以上冲击危险区域的采煤工作面安全出口与巷道连接处超前支护范围不得小于120m。可以根据工作面超前支承压力调整超前超前支护Ⅰ区支护距离与超前支护Ⅱ区支护距离的比例；可以在矿井选巷道，通过对巷道围岩地质条件探测、巷道表面位移变形规律、巷道深部位移变形规律、锚杆索应力演化规律的矿压显现规律监测，确定超前支承压力分布规律，并根据工程地质概况具体确定超前支护范围并保留一定安全支护范围。

注浆锚索6在施工时每排至少施工3根，两侧的注浆锚索按照倾斜5°～15°施工。注浆锚索配置在两排锚杆之间，注浆锚索施工时，首先利用钻机打锚索孔，然后安装锚索并采用高压泵进行注浆作业，浆液在围岩内部的裂隙内扩散，最后将围岩胶结为完整的承载体。施工注浆锚索还改善了围岩赋存环境。

在进行注浆锚索注浆作业时，岩体内部孔隙及裂隙作为浆液扩散途径，同时也是浆液充填对象。浆液进入岩体内部孔裂隙，固化后对裂隙形成一定的“堵塞作用”，同时在浆液压力作用下，围岩内部微小裂隙通过挤压重新闭合，从而在岩体孔裂隙与煤矿井下复杂的水气环境之间形成一道屏障，阻绝了井下水气环境与围岩内部自由面的接触，减小了巷道围岩与井下复杂水汽环境的有效接触面积；降低了围岩与井下水汽发生风化作用的风险，进而有效阻止围岩与空气中水分充分接触而降低围岩的强度。在超前支护区域施工注浆锚索，形成来了骨架承载结构。浆液通过注浆系统进入巷道围岩，扩散注入围岩裂隙，待其凝固固化，浆液固化结构体将裂隙张开的两壁胶结在一起。由于围岩内部裂隙分布的不规律性，使得浆液固化体在围岩内部形成不规则的网状结构，可提高巷道围岩整体强度。巷道破碎松散围岩进行注浆加固后，围岩固化结构体相较于原巷道围岩韧性更强，可承受适应更大的围岩变形。

单元式支架9紧贴巷道顶板上设置的钢筋网支护于顶板，沿回采巷道走向方向单排走向布置，至少布置一排，回采巷道内始终流出单元式支架移动的空间，并且具有较大的巷道断面，从而方便通风。单元式支架与顶板的接触面积较小，放在锚杆间隙内，所以不会影响巷道原有永久支护结构，并且采用这种循环移架的方式不会反复支撑顶板，导致顶板结构破碎，并且单元式支架靠近工作面侧三分之一至四分之一的位置布置，增大了巷道有效断面面积。

S3.随回采工作面的推进，在回采工作面推进方向上的超前支护区域前方施工注浆锚索，可以尽量的扩大超前支护Ⅱ区的支护范围，利用回采巷道内的单轨吊将端头支护区内的单元式支架移动至超前支护Ⅱ区，始终保持回采巷道内的端头支护区、超前支护Ⅰ区和超前支护Ⅱ区各自的超前支护距离不变。

单元式支架的移架采用循环移架的方式，如图6所示，在回采工作面推进的同时，不断将工作面端头处的单元式支架采用单轨吊移至单元式支架末端支护范围，即超前支护Ⅱ区内和超前支护Ⅰ区相邻的区域。移动的过程包括主要包括降架、移架、升架这三个步骤。首先随着回采工作面不断向前推采，将端头支护区的单元式支架进行降架，然后采用单轨吊进行移架，移动到指定位置之后进行升架支护回采巷道的顶板；因此在回采巷道内对同一位置仅进行一次升架支护，不会对顶板进行反复支撑。

其中单元式支架在回采巷道内单排布置，单元式支架的与采煤工作面一侧的巷帮煤壁的距离为回采巷道宽度的1/3～1/4之间，设置在巷道的一侧，从而不会对通风造成阻碍，同时留有足够的空间使用单轨吊移架。单元式支架与顶板的接触面积小于锚杆的间排距，从而可以在不破坏原有支护的条件下直接安装单元式支架。步骤S3中，将端头支护区的单元式支架，从单排布置的单元式支架的一端移动至排列的另一端。单元式支架的宽度小于回采巷道宽度的1/3，从而可以保证单元式支架可以在巷道内灵活的移动。

另外，考虑到单元式支架施工与工作面端头环境复杂，注浆锚索的施工可在远大于超前支护距离，进而提高工作效率，提高工作面回采效率，保证工作面高效安全生产。

结合一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法的步骤S1-S3，可以应用于智慧矿山的建设中，对回采巷道进行超前支护，实现超前支护的智能化控制，具体是利用综掘机和自动化支护设备实现永久支护的智能控制，再配合注浆锚索的自动化施工设备实现超前支护的智能控制，最后利用自动化的单轨吊设备以及自动化控制的单元式支架实现工作面回采过程中的移架等操作，上述步骤相互配合，通过现有的开采技术装备推进了智慧矿山的构建，尤其是在冲击地压危险矿井，能够保证施工安全，有利于实现智能开采。

冲击矿井回采巷道的超前支护方法主要是在存在冲击地压危险巷道内应用，在回采工作面两侧的回采巷道内，进行超前支护，从而保证回采安全。该方法统筹了回采巷道掘进和工作面回采的全过程，并且在空间上保持超前支护区域随工作面推进而相应移动，从而可以更好的保证开采安全。并且该方法采用的移架方式更加简便，不需要大型的设备移动，也不会造成顶板重复支撑，为实现自动化开采创造了条件，其中该移架方式中单元式支架的升降可以实现自动化控制，而单轨吊的吊装移动也可以实现自动化，利用电液控设备整合单轨吊和单元式支架可以实现自动化移架。另外超前支护注浆锚杆的设置是在超前工作面的巷道内施工，所以不会影响工作面的开采。

该方法中单元式支架的支护方式及移架方式，保证了顶板围岩完整性。采用的单元式支架配合单轨吊进行移架，从而克服了传统超前支架反复支撑顶板的问题，保证了顶板结构的完整性。另外，单元式支架的布置方式使得回采巷道作业空间的利用率更高，进而增大了通风面积。

该方法中对超前支护区域进行了划分，并且在回采过程中可以始终保持超前支护区域的支护范围，从而保证了支护的安全，并且支护流程更加简便，不会影响正常的生产。从而对煤炭开采具有重要的理论意义和实践价值，保证了冲击矿井工作面的安全稳定性，以及高效的开采。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法，其特征在于，步骤包括：

S1.在冲击矿井的回采巷道掘进期间施工永久支护结构，所述永久支护结构包括锚杆、钢带和钢筋网；

S2.在回采工作面的回采巷道超前支护区域施工注浆锚索，所述超前支护区域包括端头支护区、超前支护Ⅰ区和超前支护Ⅱ区，其中在端头支护区和超前支护Ⅰ区还设置单元式支架；

S3.随回采工作面的推进，在回采工作面推进方向上的超前支护区域前方施工注浆锚索，利用回采巷道内的单轨吊将端头支护区内的单元式支架移动至超前支护Ⅱ区，保持回采巷道内的端头支护区、超前支护Ⅰ区和超前支护Ⅱ区各自的超前支护距离不变。

2.根据权利要求1所述的一种冲击矿井回采巷道的超前支护方法，其特征在于，所述注浆锚索在施工时每排至少施工3根，两侧的注浆锚索按照倾斜5°～15°施工。

3.根据权利要求1所述的一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法，其特征在于，所述注浆锚索配置在两排锚杆之间，所述钢筋网贴紧回采巷道顶板布置，钢带压设在钢筋网上，锚杆穿过托盘、钢带和钢筋网后锚固在回采巷道顶板上。

4.根据权利要求所述的一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法，其特征在于，所述超前支护区域的超前支护距离大于70m；根据工作面超前支承压力调整超前超前支护Ⅰ区支护距离与超前支护Ⅱ区支护距离的比例。

5.根据权利要求1所述的一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法，其特征在于，所述注浆锚索施工时，首先利用钻机打锚索孔，然后安装锚索并采用高压泵进行注浆作业，浆液在围岩内部的裂隙内扩散，最后将围岩胶结为完整的承载体。

6.根据权利要求1所述的一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法，其特征在于，所述单元式支架在回采巷道内单排布置，单元式支架的与采煤工作面一侧的巷帮煤壁的距离为回采巷道宽度的1/3～1/4之间。

7.根据权利要求6所述的一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法，其特征在于，所述单元式支架与顶板的接触面积小于锚杆的间排距。

8.根据权利要求6所述的一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法，其特征在于，所述步骤S3中，将端头支护区的单元式支架，从单排布置的单元式支架的一端移动至排列的另一端。

9.根据权利要求6所述的一种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法，其特征在于，所述单元式支架的宽度小于回采巷道宽度的1/3。

10.根据权利要求1至9任一项所述的种应用于智慧矿山的冲击矿井回采巷道超前支护方法，其特征在于，所述步骤S1-步骤S3应用于智慧矿山系统的巷道超前支护中。

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