基于礦壓觀測孤島工作面的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

宋恩鵬

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)， 山西 晉中 031300）

引言

孤島工作面煤層開采后回采空間周圍巖層的應(yīng)力會重新分布，導(dǎo)致回采工作面以及周圍的煤柱上應(yīng)力集中，造成回采工作面頂板運(yùn)動劇烈和巷道圍巖變形較大[1-2]。某煤礦22采區(qū)2205工作面為孤島工作面，這就要求該回采工作面和巷道的支護(hù)有足夠的強(qiáng)度等性能來保證回采期間工作面頂板和巷道的安全穩(wěn)定。

1 工作面概況

由于22采區(qū)采用了跳采的開采方式，使得2205工作面成為了孤島工作面。開采2-2上煤層中，該工作面西側(cè)15 m為2206工作面采空區(qū)，東側(cè)15 m為2204工作面采空區(qū)，2205孤島工作面處于22采區(qū)的西部。2205孤島工作面輔助運(yùn)輸巷道從開門口到770 m為2-2上煤層和2-1下煤層的合層，該合層厚度為8.3～10.4 m；2205孤島工作面膠帶運(yùn)輸巷道從開門口到650 m為2-2上煤層和2-1下煤層的合層，該合層厚度8.0～10.5 m，夾層矸石厚度為0.3～0.9 m，在該膠帶運(yùn)輸巷道再向里沿著2-2上煤層進(jìn)行掘進(jìn)，煤層厚度為4.7～6.3 m，夾層矸石厚度變化較大，最大處1.0 m。底板多為泥巖，煤層頂板為砂質(zhì)泥巖與細(xì)粒砂巖。

2 工作面礦壓實(shí)測

2.1 工作面頂板壓力檢測

在對2205孤島工作面上部、中部以及下部測區(qū)支架的工作阻力進(jìn)行觀測，并對所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[3]。

1）由工作面上部支架（13號、37號）的工作阻力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知2205孤島工作面上部的周期來壓步距為平均為11.6 m。

2）由中部支架（72號、86號）的工作阻力與來壓判據(jù)關(guān)系圖，可判定2205孤島工作面中部的周期來壓步距平均為10.5 m。

3）由下部支架（114號、128號）的工作阻力與來壓判據(jù)關(guān)系圖，可判定2205孤島工作面下部的周期來壓步距平均為9.4 m。

由上述可知，該孤島工作面周期來壓步距為9.4～11.6 m，平均值為 10.5 m。

通過對工作面支架工作阻力的數(shù)據(jù)分析得知，2205孤島工作面支架非來壓期間工作阻力平均值為24.54 MPa，該平均工作阻力約為2205孤島工作面支架額定工作阻力的56.36%；另外，來壓期間該工作面支架工作阻力平均值為38.43 MPa，其阻力值約為支架額定工作阻力的87.74%；該孤島工作面周期來壓時(shí)平均最大工作阻力為47.36 MPa，為支架額定工作阻力（43.8 MPa）的108.1%。

同時(shí)，依據(jù)采煤工作面支架所監(jiān)測的數(shù)據(jù)，可知隨著該孤島工作面沿走向的推進(jìn)，孤島工作面上覆巖層的運(yùn)動形態(tài)不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致工作面上覆巖層作用在支架上的力也在隨之發(fā)生改變，在該孤島工作面的來壓時(shí)刻，支架上的動載系數(shù)為1.45。由此可知工作面支架來壓期間的動載系數(shù)數(shù)值較大，如表1所示。

表1 周期來壓期間動載系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2 工作面超前壓力監(jiān)測

對布置在2205孤島工作面輔助運(yùn)輸巷道側(cè)的測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，共3組測點(diǎn)其中，1號測點(diǎn)位于2205工作面前方150 m處，間隔為4 m，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。隨著采煤工作面的推進(jìn)，各測點(diǎn)距工作面的距離發(fā)生變化，各測站的壓力變化也發(fā)生變化，表現(xiàn)出該孤島工作面前方的支承壓力的變化。經(jīng)監(jiān)測，巷道超前支承壓力情況統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 工作面超前支承壓力觀測曲線圖

根據(jù)以上各圖所反映的巷道煤壁側(cè)支承應(yīng)力值變化特征，分析超前支承壓力如下：該采煤工作面前方煤體的超前支承壓力在工作面前方3 m左右的地方達(dá)到支承壓力的峰值狀態(tài)，然后隨著往前推移支承壓力開始下降，直至達(dá)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，則說明工作面此處的煤體仍然具有較好的完整性，同時(shí)工作面煤體處于彈塑性的應(yīng)力狀態(tài)，工作面煤體具有較高的自承能力。

綜合觀測數(shù)據(jù)分析，2205孤島工作面采動超前影響范圍約100 m，根據(jù)工作面采動對煤體的超前影響的劇烈程度，可將超前采動影響范圍劃分為三個(gè)區(qū)段范圍，分別為：對煤體影響較小的采動影響輕微區(qū)，對煤體影響較大的采動影響明顯區(qū)以及對工作面煤體影響劇烈的采動影響劇烈區(qū)[4]。

2.3 工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力實(shí)測

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)計(jì)觀測孔深度為3 m、5 m、7 m、9 m、11 m的5個(gè)鉆孔，通過觀測分析觀測數(shù)據(jù)分析可知測點(diǎn)煤柱內(nèi)應(yīng)力變化趨勢基本相同，隨著測點(diǎn)距采煤工作面距離的減小，測點(diǎn)的應(yīng)力在逐漸增大，并且在測點(diǎn)距工作面0～35m范圍內(nèi)支承應(yīng)力值迅速上升。應(yīng)力分布如圖2所示。

從縱向上看，5個(gè)時(shí)刻側(cè)向支承壓力分布曲線隨著到端頭距離的增加，應(yīng)力數(shù)值變化趨勢逐漸放緩平緩，說明距工作面越遠(yuǎn)，巷道煤壁側(cè)的側(cè)向支承壓力受采動的影響越弱。從橫向上看，鉆孔深度為5m與9 m的兩個(gè)測點(diǎn)，觀測其支承壓力分布趨勢，可知這兩個(gè)測點(diǎn)的支承壓力的變化趨勢具有相同的規(guī)律，在這兩點(diǎn)的應(yīng)力都處于峰值狀態(tài)，依據(jù)宋振騏院士的“內(nèi)外應(yīng)力場”的理論可得出在距煤壁深約7 m位置煤壁附近頂板發(fā)生側(cè)向斷裂，導(dǎo)致此范圍內(nèi)應(yīng)力降低?？偟膩碚f，2205孤島工作面煤壁頂板側(cè)向斷裂線位于煤體內(nèi)7 m附近，距離煤壁0～9 m范圍內(nèi)為塑性區(qū)，9 m以外為彈性區(qū)。

圖2 不同鉆孔深度下煤壁內(nèi)側(cè)向支承應(yīng)力變化曲線

3 孤島工作面支護(hù)方案設(shè)計(jì)

在理論分析現(xiàn)場實(shí)測研究的基礎(chǔ)上，對2205孤島工作面進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì)[5]。

3.1 工作面頂板控制

2205孤島工作面采空區(qū)頂板的控制采用垮落法，且該工作面的頂板易破碎，應(yīng)選用支撐掩護(hù)式支架。支架需滿足一定的支護(hù)強(qiáng)度，由現(xiàn)場實(shí)測可知2205孤島工作面非來壓期間工作阻力平均值為24.54 MPa，來壓期間該工作面支架工作阻力平均值為38.43 MPa，周期來壓時(shí)平均最大工作阻力為47.36 MPa；同時(shí)工作面煤層厚度為5.8 m。因此可選用ZY11000/28/63D型支撐掩護(hù)式支架對工作面頂板進(jìn)行支護(hù)管理，該支架支護(hù)強(qiáng)度滿足要求，且其最大控頂距6 220 mm，最小控頂距5 420 mm，適合工作面對頂板控制的需求。

3.2 工作面巷道超前支護(hù)

由前面現(xiàn)場礦山壓力實(shí)測研究可知2205孤島工作面超前支承壓力的分布規(guī)律為：工作面超前支承壓力峰值點(diǎn)位于煤壁前方3 m左右，影響劇烈區(qū)位于煤壁前方0～25 m，明顯影響區(qū)位于煤壁前方25.70 m，輕微影響區(qū)位于煤壁前方約70～100 m。為采取有效的超前控制措施，確保巷道的穩(wěn)定性，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測將超前支承壓力分為影響劇烈區(qū)、影響明顯去以及影響輕微區(qū)，依據(jù)超前支承壓力影響程度大小不同的情況，可采取有針對性的分段支護(hù)措施：

l）巷道采動影響0～25m劇烈區(qū)可采用ZCZ15000/25/42支架進(jìn)行超前支護(hù)，超前支護(hù)距離應(yīng)不小于25 m。

2）在25～70 m的采動影響明顯區(qū)，可采用單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，在巷道兩側(cè)各設(shè)一根單體液壓支柱。

3）在70～100 m的采動影響輕微區(qū)，可采用鐵絲網(wǎng)支護(hù)兩幫。

3.3 巷道支護(hù)

孤島工作面的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，對巷道的穩(wěn)定性影響較大，導(dǎo)致巷道變形加劇。這就要求應(yīng)對巷道采取有效的支護(hù)措施，以保證巷道的穩(wěn)定性，使巷道變形控制在一定范圍內(nèi)。

對于巷道頂部，可采用錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護(hù)的方式。巷道頂部采用全螺紋鋼樹脂錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)。在巷道頂板上每一排應(yīng)布置6條錨桿，同時(shí)所打錨桿間的間排距應(yīng)為850 mm×1 000 mm；另一排將兩端內(nèi)第二條錨桿改為錨索支護(hù)，錨索布置在巷道中心線左、右側(cè)第二個(gè)鋼帶眼內(nèi)，錨索間排距為2 550 mm×2 000 mm，間隔布置。錨桿規(guī)格為由18 mm×2 200 mm，施工時(shí)由外向里逐條打注，錨桿外露30.50 mm，錨桿與巷道頂板的夾角大于75°，托盤緊貼巖面。頂板支護(hù)所使用的錨索規(guī)格尺寸為中15.24 mm×6 300 mm，并且在安裝時(shí)錨索的錨固力應(yīng)不小于100 kN；同時(shí)對頂板加強(qiáng)支護(hù)所采用的鋼帶的規(guī)格尺寸為5 000 mm×60 mm×3 mm，與鋼帶配套使用的金屬網(wǎng)規(guī)格尺寸應(yīng)為由4 mm×5 200 mm×1 100 mm，網(wǎng)格的大小應(yīng)為100 mm×100 mm。頂幫網(wǎng)上下連接采用16號雙股鐵絲綁扎，每隔300 mm一道，要求整齊、緊貼巖面。頂板出現(xiàn)裂隙、破碎不完整時(shí)補(bǔ)打錨索梁加強(qiáng)支護(hù)。

巷道兩幫可采用錨網(wǎng)帶聯(lián)合的方式進(jìn)行支護(hù)。錨桿可采用直徑為16 mm、長度為1 800 mm的全螺紋鋼樹脂錨桿，兩幫上的錨桿應(yīng)采用1 400 mm間排距，并且在巷道兩幫上每幫每排錨桿的所打數(shù)量為l根即可；對于兩幫支護(hù)所采用的金屬網(wǎng)鋼筋直徑為4 mm，金屬網(wǎng)應(yīng)采用規(guī)格尺寸為2 000 mm×1 300 mm（或2 700 mm×1 300 mm）的金屬網(wǎng)，并且金屬網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm；幫部鋼帶規(guī)格為1 700 mm×60 mm×3 mm。錨桿錨固力大于85 kN，要求成排成行。若巷道兩幫上出現(xiàn)局部的溜幫現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際的情況補(bǔ)打錨網(wǎng)以對巷道的兩幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，防止大面積的溜幫現(xiàn)象出現(xiàn)。

4 結(jié)論

現(xiàn)場實(shí)測該孤島工作面的超前支承壓力，得出工作面采動影響范圍達(dá)到130 m，采動影響劇烈區(qū)大約位于煤壁前方0～25 m處，超前支承壓力峰值在煤壁前方3 m左右，且該處的應(yīng)力集中較大，為超前支護(hù)提供了理論基礎(chǔ)。利用FLAC3D數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實(shí)測的研究方法，對2205孤島工作面的側(cè)向支承壓力進(jìn)行研究，得出該孤島工作面煤柱在0～9 m的范圍內(nèi)為塑性破壞區(qū)，9 m以外為彈性區(qū)且該煤柱的寬度為15 m，確保了巷道煤柱的穩(wěn)定性。