大采高綜采工作面20m煤柱二次復用巷道礦壓規(guī)律實測研究

汪占領

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

礦山壓力與災害控制

大采高綜采工作面20m煤柱二次復用巷道礦壓規(guī)律實測研究

汪占領1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

針對回采工作面二次復用巷道圍巖變形量大、支護困難的問題，在棗泉煤礦大采高綜采11203工作面進行了20m煤柱二次復用巷道礦壓規(guī)律實測研究。研究結果表明，二次復用巷道礦壓顯現主要分為工作面超前影響階段、劇烈變形階段、蠕變階段，巷道在回采工作面后方的變形量可達回采工作面超前影響階段變形量的4～6倍，巷道頂板淺部離層略大于深部離層；錨桿錨索受力變化比巷道圍巖變形對擾動更敏感，受力變化遠超前于圍巖變形，錨桿錨索受力呈現先增大后減小的趨勢，受力急劇增加階段出現在回采工作面前后50m范圍內；巷道頂板和兩幫煤巖體在受采動影響后圍巖淺部破壞范圍有所增加，煤層破碎程度加劇，深部煤巖體出現不同程度破壞現象。

大采高；綜采工作面；二次復用巷道；礦壓規(guī)律；實測

1 二次復用巷道礦壓顯現規(guī)律研究概述

隨著我國高瓦斯礦井的大量出現，采煤工作面多巷布置已成為解決瓦斯超限的必要手段。為減少區(qū)段煤柱損失，一般外圍巷道要在本工作面回采后留作下一個工作面的巷道使用。同時近年來為避免在煤炭開采過程中留下孤島工作面，許多礦井嘗試采用工作面順采替代跳采工藝。以上2種情況不可避免地造成了巷道的二次復用或受臨近工作面回采全過程的影響。

二次復用巷道礦壓規(guī)律顯現與一般工作面巷道有著明顯的差別，具體表現為：礦壓顯現更加劇烈，通常在回采工作面后方變形急劇增加，變形量一般為普通巷道的數倍；普遍出現巷道兩幫移近劇烈，嚴重時兩幫移近量可達2～3m，甚至使巷道閉合。底板基本與兩幫變形同步，底鼓量一般在1～2m甚至更多。致使復用巷道需大量維修才能使用甚至直接報廢，給煤礦安全生產帶來極大困擾。

近年來二次復用巷道支護技術和礦壓顯現規(guī)律的研究逐步得到重視，康紅普等[1]在受二次強烈動壓影響的巷道中，進行了全斷面高預應力強力錨索支護技術試驗，巷道兩幫移近量比原支護方式降低90%，圍巖變形得到有效控制；鄭仰發(fā)等[2]在寧東礦區(qū)進行了二次復用巷道煤柱留設綜合試驗，確定出試驗工作面特定區(qū)段煤柱設計的合理寬度范圍為8.9～12.5m；秦海忠[3]對山西晉煤集團寺河礦大采高工作面二次復用巷道礦壓規(guī)律進行了研究，表明工作面留巷滯后變形可明顯劃分為初始變形區(qū)、劇烈變形區(qū)、趨于穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)；張洪敏等[4]對翟鎮(zhèn)煤礦采面動壓下軌道巷的礦壓顯現規(guī)律進行了研究，表明巷道迎頭超前采面或滯后采面60m以內礦壓顯現不明顯，巷道迎頭滯后采面70～300m以內會出現強烈的礦壓顯現，巷道迎頭滯后采面大于300m時礦壓顯現趨于穩(wěn)定；李家卓等[5]分析了煤層群開采條件下的張集煤礦 1113(1)工作面軌道巷多次擾動失穩(wěn)機理，指出煤層群開采采區(qū)設計中應盡量采用下行開采，同時避免或減少巷道受多次采動影響；王德彰等[6]對成莊煤礦3號煤層在強動壓影響下沿空留巷的護巷煤柱寬度進行了研究，結果表明在回采階段煤柱側幫0～2m內基本處于破壞狀態(tài)，2～10m內應力不斷增加，并據此將復用巷道護巷煤柱留設為30m，比原來的40m減小了10m；吳順川等[7]對陽泉礦區(qū)二次采場巷道不同應力狀態(tài)和支護參數的巷道穩(wěn)定性與變形特征進行了研究，研究結果表明二次動壓巷道頂底板相對收斂率遠大于兩幫，二次動壓巷道采場的應力環(huán)境對巷道的穩(wěn)定和變形起主導作用；陳寶元[8]介紹了在陽泉煤業(yè)集團新元公司二次動壓巷道中采用桁架錨索支護技術形成了頂板預應力支承結構和幫桁架結構，在受采動影響后巷道圍巖變形量與原支護相比顯著減??；王越等[9]針對銅川西川煤礦回風巷受鄰近工作面全程采動影響變形嚴重，錨桿、錨索剪切破壞嚴重的問題，提出以加強頂板支護強度，匹配錨桿、錨索變形能力，釋放頂板水平應力為核心的高阻剪切讓壓控制技術，并在支護實踐中取得良好效果；何杰[10]針對五陽煤礦 7603運輸巷受相鄰工作面回采影響后圍巖受力和變形的不對稱性特征，提出幫整體強化支護理念，有效地解決了該條件下巷道維護難題；張劍[11]針對中興煤礦瓦排巷受臨近工作面回采造成破壞問題，提出采取防止頂板下沉、加大煤柱幫支護強度、關鍵部位補強支護措施，使巷道圍巖變形得到顯著控制，成功實現二次復用；高富全[12]等在現場實測的基礎上總結了平朔井工一礦強烈動壓錨網支護巷道圍巖變形規(guī)律，得出工作面回采動壓超前影響范圍為 60m，動壓巷道受影響總長度可達180m；趙祉君等[13]研究了棗莊井亭煤礦深部薄煤層巷道受工作面開采影響小煤柱護巷巷道支護與礦壓顯現規(guī)律，采用4m小煤柱結合錨桿支護試驗獲得成功；孫守孝等[14]針對寺河煤礦大采高工作面外圍留巷巷道底鼓嚴重的問題，采用高預應力加長錨固錨桿加固巷道底板，取得了明顯成效；霍靈軍等[15]對潞安王莊煤礦小煤柱二次承壓巷道的礦壓顯現規(guī)律進行了研究，得出超前工作面30m巷道變形速率大幅增加直至滯后工作面60m，60m以后變形速率趨于穩(wěn)定；趙建國[16]介紹了在晉城趙莊煤礦大采高二次復用巷道中頂板采用全錨索支護、巷幫采用錨桿錨索組合支護，有效控制了巷道的大變形，滿足了回采要求。

盡管國內學者和科研人員對二次復用巷道支護和礦壓顯現規(guī)律進行了諸多研究，但對其礦壓顯現規(guī)律的研究還不夠全面、深入。本文以神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司棗泉煤礦大采高綜采工作面20m煤柱二次復用巷道為研究對象，通過在工作面回采前后巷道變形、頂板離層、錨桿和錨索受力、裂隙動態(tài)擴展的全過程監(jiān)測，詳細研究和分析了二次復用巷道礦壓顯現規(guī)律，以期為類似工程提供參考。

2 試驗點地質與生產條件

神華寧煤集團棗泉煤礦設計生產能力8Mt/a。其中東翼采區(qū)5Mt/a，西翼采區(qū)3Mt/a。西翼采區(qū)主采煤層為二煤，煤層平均厚度7.88m，普氏硬度系數f=1.6～1.9。二煤頂板由厚2.5m左右的炭質泥巖和厚1.2m左右的細粒砂巖交錯構成，其上為7.0m的粗粒砂巖。二煤底板以厚5.46m和8.99m的粉砂巖為主，中間夾一層厚度2.34m的細砂巖。

西翼采區(qū)大采高工作面采用三巷布置，巷道均沿煤層中部布置。其中輔助運輸巷留做下一工作面回風巷使用，膠帶運輸巷與輔助運輸巷之間留設40m煤柱。正在回采的11203工作面采高5.5m，工作面傾斜長度275m，走向長度2850m。輔助運輸巷埋深250～450m，受本工作面回采影響巷道變形非常嚴重，兩幫移近量平均為1m，頂底板移近量平均為1.5m，巷道采用補打錨索、架工字鋼棚和支設單體支柱的方式進行了多次維修，但效果均不理想。

為合理優(yōu)化煤柱尺寸，在膠帶運輸巷和輔助運輸巷4號聯絡巷和5號聯絡巷之間的煤柱中掘進一條巷道來進行小煤柱二次復用巷道礦壓規(guī)律研究。試驗巷道埋深300～400m，巷道為矩形斷面，巷道寬度4.6m，高度3.6m，長度200m，與膠帶運輸巷之間留20m凈煤柱。試驗巷道采用錨網+鋼帶+錨索支護，頂部采用φ22mm-M24-2400mm高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配合W型鋼帶和鋼筋網支護，錨桿間排距為870mm×900mm，錨桿預緊力矩300N·m；頂板錨索采用φ21.98mm×8300mm(1×19股)預應力鋼絞線錨索配合11號礦用工字鋼支護，錨索間排距1600mm×1800mm，錨索預緊力150kN；巷幫采用φ20mm-M22-2000mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配合W鋼護板和金屬網支護，間排距為800mm×900mm，錨桿預緊力矩200N·m。

采用水壓致裂法在11201膠帶運輸巷進行地應力測量，該處最大水平主應力5.19MPa，方向N36.7°W；最小水平主應力2.8MPa，垂直應力3.18MPa。采用小孔徑鉆孔觸探儀對巷道頂板巖層強度和幫部煤體強度進行了測試，其中幫部煤體強度平均18.66MPa，頂板巖層強度測試結果見圖1。

圖1 11201膠帶運輸巷頂板強度測試結果

3 礦壓監(jiān)測內容及測點布置

礦壓監(jiān)測內容包括巷道表面位移、頂板離層、錨桿受力、錨索受力和裂隙動態(tài)擴展。共布置3個測站，每個測站相距50m。每個測站包括一個巷道表面位移監(jiān)測斷面，1個頂板離層監(jiān)測斷面，1個錨桿受力監(jiān)測斷面，1個錨索受力監(jiān)測斷面和1個裂隙動態(tài)擴展觀測測站。巷道表面位移監(jiān)測采用十字布點法，頂板離層采用頂板離層儀在線監(jiān)測，錨桿、錨索受力采用鋼弦式測力計監(jiān)測，裂隙動態(tài)擴展采用鉆孔窺視儀監(jiān)測。測站布置在11203回采工作面超前影響范圍以外。

4 20m煤柱巷道監(jiān)測結果分析

4.1 試驗巷道表面位移

表面位移監(jiān)測結果如圖2～4所示。

圖2 試驗巷道表面位移監(jiān)測曲線(第1測站)

圖3 試驗巷道表面位移監(jiān)測曲線(第2測站)

圖4 試驗巷道表面位移監(jiān)測曲線(第3測站)

試驗巷道從超前11203工作面約50m巷道兩幫移近量和頂底板移近量(從頂板離層監(jiān)測結果及井下現場觀察來看，頂底板移近量絕大部分為底鼓量)開始明顯增大，到滯后11203工作面200～280m后，巷道變形基本穩(wěn)定，兩幫最大移近量平均為968mm，頂底板最大移近量平均為1626mm。從監(jiān)測曲線可以看出，巷道變形明顯分為3個階段：

(1)工作面超前影響階段 該階段由于巷道受回采工作面超前支撐壓力影響，在超前工作面50m至回采工作面位置附近出現明顯巷道變形，3個測站頂底板移近量分別達到352，213和415mm，平均327mm；兩幫移近量分別達到115，108和221mm，平均148mm。

(2)劇烈變形階段 從回采工作面附近至滯后回采工作面200m左右，由于受回采工作面后方采空區(qū)直接頂、基本頂破斷垮落和靠工作面?zhèn)让褐戏交卷攺澢?、回轉下沉等的擾動，巷道出現急劇變形，變形時間長，變形量大。其中巷道頂底板移近量分別達到1560，1080和1610mm，平均1417mm，為巷道超前影響階段頂底板移近量的4.3倍，其中底鼓量占絕大多數；兩幫移近量分別達到782，891和805mm，平均826mm，為巷道超前影響階段兩幫移近量的5.6倍。

(3)蠕變階段 該階段滯后回采工作面200m以后。由于回采工作面上覆巖層長期處于緩慢下沉狀態(tài)，致使試驗巷道長期處于蠕變狀態(tài)，該階段一般至少會持續(xù)3～6個月左右。巷道在回采前后實拍照片如圖5所示，巷道受11203工作面回采影響前后巷道表面變形較大，尤其底鼓最嚴重，最大底鼓位置靠近巷道中軸線，11203輔運巷側巷幫比工作面(采空區(qū))側巷幫鼓出量稍大。

圖5 受采動影響前后巷道變形照片

4.2 試驗巷道頂板離層

巷道頂板離層典型監(jiān)測曲線如圖6和圖7所示。

圖6 試驗巷道頂板離層監(jiān)測曲線(第2測站)

圖7 試驗巷道頂板離層監(jiān)測曲線(第3測站)

巷道頂板離層第1測站在工作面回采超前段破壞，未取得有效數據。從圖6和圖7中可以看出，巷道頂板離層在超前回采工作面階段基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。在回采工作面后方深部離層和錨桿錨固范圍內的離層量值(淺部離層)基本一致，說明巷道頂板在受到回采工作面上覆巖層劇烈運動擾動后，淺部和深部巖層幾乎同時發(fā)生大范圍的離層和錯動。在滯后回采工作面200m后，巷道頂板離層逐漸趨于穩(wěn)定。

從巷道頂板離層的量值上分析，總的離層量在錨桿支護系統(tǒng)的允許范圍內。其中淺部離層最大達36.5～43.1mm，深部離層最大達27.5～43mm。

4.3 試驗巷道錨桿、錨索受力

試驗巷道錨桿受力監(jiān)測結果如圖8～11所示，頂板錨索受力監(jiān)測結果如圖12所示。由于測站1、測站2頂板錨桿、錨索監(jiān)測儀器在回采前遭到破壞，沒能監(jiān)測到回采影響期間的數據。

圖8 試驗巷道頂板錨桿受力監(jiān)測曲線(第3測站)

圖9 試驗巷道兩幫錨桿受力監(jiān)測曲線(第1測站)

圖11 試驗巷道兩幫錨桿受力監(jiān)測曲線(第3測站)

圖12 試驗巷道頂板錨索受力監(jiān)測曲線(第3測站)

從圖8可以看出，頂板錨桿受力在超前回采工作面50m時開始出現緩慢增加，在回采工作面附近開始出現明顯波動，在滯后回采工作面50m時錨桿受力出現急劇增加現象，說明在該位置回采工作面上覆巖層的劇烈活動對巷道頂板產生了很大影響，從前面巷道頂板離層在該位置出現劇烈變化也可說明這一點。在該測站滯后回采工作面84m后，頂板錨桿受力基本趨于穩(wěn)定，錨桿受力最大達128kN左右。另外從頂板錨桿受力曲線還可看出，靠近工作面?zhèn)软敯邋^桿的受力增加幅度較另一側明顯。該測站頂板錨索受力變化趨勢和頂板錨桿基本相同，最大受力達200kN左右。

從圖9～11可以看出，由于兩幫煤體較軟和支護強度較低，兩幫錨桿受力開始出現明顯變化超前于頂板錨桿。在超前回采工作面100m左右開始逐漸增大，在超前回采工作面25m至滯后工作面50m范圍開始劇烈增加，大多數錨桿受力超過錨桿桿體本身屈服載荷(126kN)，但增加的速率遠小于頂板錨桿。至滯后回采工作面56.5～103.8m左右錨桿受力達到最大，然后錨桿受力開始逐漸減小，最大穩(wěn)定受力為124kN左右。

4.4 試驗巷道圍巖裂隙擴展

試驗巷道采動影響前后裂隙擴展對比如圖13～16所示。通過對20m煤柱巷道頂板及巷幫受采動影響前后圍巖裂隙擴展監(jiān)測可以看出，在受采動影響之前20m煤柱巷道幫部圍巖具有較好的完整性，但是在距孔口0～1m范圍內幫部煤體存在裂隙，頂板的泥巖強度較低，雖然沒有出現塌孔的現象，但在4.8～5.6m左右裂隙比較發(fā)育。受11203工作面采動影響后，巷道幫部裂隙明顯擴展，深度擴展到2.8m左右，已經超出了幫錨桿的錨固范圍，部分幫錨桿受力較小也與此相關；巷道頂板在4.8～8.5m范圍裂隙擴展明顯。

圖13 巷道受采動影響前后幫部裂隙(第1測站)

圖14 巷道受采動影響前后頂板裂隙(第1測站)

圖15 巷道受采動影響前后幫部裂隙(第2測站)

圖16 巷道受采動影響前后頂板裂隙(第2測站)

5 結 論

(1)二次復用巷道礦壓規(guī)律顯現與一般工作面巷道有著顯著的差別，礦壓顯現更加劇烈，通常在回采工作面后方變形急劇增加，變形量一般為普通巷道的數倍。致使復用巷道需大量維修才能使用甚至直接報廢，給煤礦安全生產帶來極大困擾。

(2)現場礦壓監(jiān)測表明，棗泉煤礦大采高綜采工作面20m煤柱二次復用巷道礦壓顯現主要分3個階段：即工作面超前影響階段、劇烈變形階段、蠕變階段。

(3)20m煤柱二次復用巷道在回采工作面后方的巷道圍巖表面位移量遠遠大于超前影響階段的變形量，其變形量可達超前影響階段的巷道變形量的4～6倍。

(4)20m煤柱二次復用巷道頂板淺部和深部巖層幾乎同時發(fā)生大范圍的離層和錯動。淺部離層略大于深部離層。

(5)20m煤柱二次復用巷道錨桿錨索受力變化比巷道圍巖變形對擾動更敏感，受力變化遠超前于圍巖變形。錨桿錨索受力呈現先增大后減小的趨勢，受力急劇增加階段出現在回采工作面前后50m范圍內。

(6)通過工作面回采前后鉆孔窺視對比分析，20m煤柱二次復用巷道頂板和兩幫煤巖體在受采動影響之前除淺部略有破碎外，整體完整性較好；受采動影響后圍巖淺部破壞范圍有所擴展，煤層破碎程度有所增加，深部煤巖體出現破裂現象。

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[責任編輯：林 健]

Mine Pressure Practical Measure Research of Reuse Roadway with 20m Coal Pillar of Large Mining Height Fully Mechanized Mining Face

WANG Zhan-ling1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

In order to solve large deformation of surrounding rock and supporting difficulty problems of reuse roadway of mining face，mine pressure practical measure research was applied on reuse roadway with 20m coal pillar of large mining height fully mechanized mining face 11203.The results showed that mine pressure of reuse roadway could be divided the following three steps，advanced influence stage of working face，severe deformation stage，creep stage，the deformation amount of working face backward was 4～6 times of advanced influence stage，the shallow separation of roadway was larger then in deep，the force change of cable and anchor was sensitive than to roadway surrounding rock deformation，the force change far ahead of surrounding rock deformation.The force of cable and anchor increased firstly than decreased，the force increased sharply stage appeared around 50m scope of working face，the broken scope in shallow of surrounding rock increased after mining，coal seam broken degree increased sharply，and different degrees broken phenomenon appeared in deep of coal and rock mass.

large mining height; fully mechanized mining face; reuse roadway; mine pressure law; practical measure

2016-09-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.019

國家自然科學基金煤炭聯合基金資助項目(U1261211)；天地科技股份有限公司青年創(chuàng)新基金資助項目(KJ-2015-TDKC-10)

汪占領(1977-)，男，河北保定人，副研究員，主要從事煤礦巷道支護及礦壓理論等研究工作。

汪占領.大采高綜采工作面20m煤柱二次復用巷道礦壓規(guī)律實測研究[J].煤礦開采，2017，22(2)：72-77.

TD326

A

1006-6225(2017)02-0072-06