綜采工作面預(yù)留回風(fēng)巷超前壓力分析

馬龍濤

(陜西陜煤黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西黃陵 727307)

0 引言

黃陵煤業(yè)二號(hào)煤礦采煤工作面采用三巷式布置，輔運(yùn)巷與膠帶巷同側(cè)布置，中間留設(shè)煤柱，保留上一個(gè)工作面輔運(yùn)巷作為下一個(gè)工作面的回風(fēng)巷。回風(fēng)巷服務(wù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，回采過(guò)程中全斷面來(lái)壓劇烈，底板和煤柱幫的變形尤其嚴(yán)重，頂板管理困難。為此，需要總結(jié)回采期間回風(fēng)巷超前支承壓力分布規(guī)律，掌握外部因素對(duì)壓力顯現(xiàn)的影響，為回采過(guò)程中回風(fēng)巷來(lái)壓預(yù)判提供科學(xué)依據(jù)，保證安全回采。

1 研究及工作內(nèi)容

項(xiàng)目在207采煤工作面回風(fēng)巷實(shí)施，巷道設(shè)計(jì)高度3．8 m、寬度4．6 m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。207回風(fēng)巷地質(zhì)條件見表1。

工作面回風(fēng)巷超前支護(hù)采用四連桿支撐掩護(hù)式ZQL2×5000/21/40型巷道超前支架進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)距離為42．6 m，支護(hù)強(qiáng)度為 0．27 MPa，底板比壓1.55 MPa。

表1 207工作面回風(fēng)巷煤層頂?shù)装迩闆r一覽表

在207工作面回采中，對(duì)回風(fēng)巷進(jìn)行巷道變形、頂板壓力進(jìn)行觀測(cè)及監(jiān)測(cè)，總結(jié)其分布及變化規(guī)律，掌握回采對(duì)回風(fēng)巷頂板來(lái)壓的影響。超前工作面400 m，在207回風(fēng)巷九聯(lián)巷向前70 m每隔20 m布置一個(gè)測(cè)站監(jiān)測(cè)頂板壓力，共布置測(cè)站6個(gè)，測(cè)站布置見圖1，各觀測(cè)點(diǎn)位置見圖2。巷道頂板中部及左右兩幫角施工Ф22 mm～2 800 mm螺紋鋼錨桿，安裝錨桿應(yīng)力計(jì)，預(yù)緊力20 kN，測(cè)量頂板壓力變化情況。錨桿應(yīng)力計(jì)間隔2 h自動(dòng)記錄一組數(shù)據(jù)。在布置錨桿應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的同時(shí)，另選兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行頂?shù)装逦灰朴^測(cè)，分析頂?shù)装逡平康淖兓?guī)律。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2 回風(fēng)巷超前壓力顯現(xiàn)分析

2．1 回風(fēng)巷整體壓力分布分析

根據(jù)錨桿應(yīng)力變化分析頂板應(yīng)力隨工作面推進(jìn)的變化情況。由于傳感器布置及回風(fēng)巷超前設(shè)備布置條件的影響，第一組進(jìn)入超前支護(hù)范圍的傳感器在進(jìn)入超前支護(hù)范圍初期已經(jīng)損壞，該組傳感器數(shù)據(jù)沒(méi)有參考價(jià)值，在分析中僅剩余5組數(shù)據(jù)見圖3。圖中各圖為各個(gè)測(cè)站錨桿應(yīng)力隨采點(diǎn)與機(jī)尾相對(duì)位置變化圖。圖中數(shù)據(jù)有缺失或明顯跳躍式變化系傳感器進(jìn)入超前支護(hù)范圍后破損及支架支護(hù)頂板的人為擾動(dòng)所致。

圖3 各測(cè)站錨桿應(yīng)力隨采點(diǎn)與機(jī)尾相對(duì)位置變化圖

從圖3可以看出，各組錨桿應(yīng)力基本都是在超前100 m左右開始出現(xiàn)明顯變化，說(shuō)明回風(fēng)巷頂板壓力在超前100 m左右開始顯現(xiàn)。

圖中各處主幫、副幫、中部數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯差異，說(shuō)明在頂錨桿支護(hù)范圍內(nèi)(2．8 m)，頂板在巷道斷面內(nèi)的頂板壓力分布差異性較小。

在距離工作面500～100 m范圍內(nèi)，錨桿應(yīng)力值緩慢變化，說(shuō)明巷道在此范圍處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，此階段及時(shí)處理了回風(fēng)巷鉆場(chǎng)打鉆出水，施工未對(duì)巷道圍巖應(yīng)力產(chǎn)生擾動(dòng)。

2．2 超前壓力影響范圍內(nèi)，頂板壓力的變化規(guī)律

11月6～8日，采點(diǎn)3244處距離工作面40 m時(shí)，工作面停產(chǎn)檢修2天。工作面停止推進(jìn)，對(duì)超前壓力影響范圍內(nèi)的各測(cè)點(diǎn)都產(chǎn)生了影響，尤其是在40 m、60 m、120 m處比較明顯。此時(shí)，超前工作面40 m、100 m工作面?zhèn)扔幸粋€(gè)抽放鉆場(chǎng)，超前工作面60 m、80 m、120 m的位置，處在各自相應(yīng)位置瓦斯抽放鉆場(chǎng)15 m范圍內(nèi)。說(shuō)明抽放鉆場(chǎng)斷面積增大，壓力顯現(xiàn)可能會(huì)更加明顯，而鉆場(chǎng)對(duì)頂板壓力顯現(xiàn)的影響并非決定性的，可能還受到頂?shù)装鍡l件和鉆場(chǎng)積水等條件的影響。

工作面周期來(lái)壓步距為18～28 m，且由于工作面支架選型支護(hù)阻力較大，周期來(lái)壓期間工作面壓力顯現(xiàn)不是特別明顯，隨工作面推進(jìn)錨桿應(yīng)力變化的趨勢(shì)線未出現(xiàn)周期性波動(dòng)，說(shuō)明工作面周期來(lái)壓與巷道超前壓力分布沒(méi)有明顯的線性關(guān)系。

剔除擾動(dòng)影響的數(shù)據(jù)，由圖4中可知:錨桿應(yīng)力在超前工作面100 m左右開始有明顯變化;30～60 m范圍錨桿應(yīng)力變化最為劇烈;30 m范圍至機(jī)尾逐漸趨于平緩，但是此段應(yīng)力值最大。說(shuō)明頂板應(yīng)力在超前30～60 m范圍內(nèi)變化最為劇烈，在超前30 m范圍內(nèi)頂板壓力顯現(xiàn)最為明顯。

圖4 各測(cè)站錨桿應(yīng)力隨采點(diǎn)與機(jī)尾相對(duì)位置變化圖

3 巷道積水對(duì)超前壓力顯現(xiàn)影響分析

3．1 工作面回風(fēng)巷過(guò)水倉(cāng)超前高度變化分析

在207工作面過(guò)回風(fēng)巷十聯(lián)巷時(shí)，十聯(lián)巷向外15 m布置有一處鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)有水倉(cāng)，在此處選取兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行頂?shù)装逦灰朴^測(cè)，分析頂?shù)装逡平康淖兓?guī)律，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。由于人為擾動(dòng)對(duì)底板的影響，表中的數(shù)據(jù)有一定的誤差。

由表2可知:207工作面回風(fēng)巷超前100 m外，高度大致在3．5 m左右;回風(fēng)超前100～50 m位置，巷道高度下降0．5 m;50～35 m位置巷道高度下降0．5 m;35～20 m位置下降0．5 m;20 m至工作面回風(fēng)口下降0．5 m以上。巷道高度從超前30 m處開始已不能滿足超前支架移架需要(2．3 m)。主幫側(cè)與副幫側(cè)布置的鉆場(chǎng)，對(duì)巷道頂?shù)装逡平康淖兓瘺](méi)有明顯影響。

巷道底板在超前15 m范圍內(nèi)最為嚴(yán)重。

工作面推進(jìn)14 m后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表3。由表3可知:推采14 m后，207工作面回風(fēng)超前80 m外，高度大致在3．5 m;回風(fēng)超前80～50 m位置，巷道高度下降0．5 m;50～30 m位置巷道高度下降0．5 m;30～10 m位置下降0．5 m;10 m至工作面回風(fēng)口高度基本沒(méi)有變化。巷道高度從超前外27 m位置開始已不能滿足超前支架移架需要(2．3 m)。主幫側(cè)與副幫側(cè)布置的鉆場(chǎng)，對(duì)巷道頂?shù)装逡平康淖兓瘺](méi)有明顯影響。巷道底板在超前10 m范圍內(nèi)最為嚴(yán)重。

首次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，工作面回風(fēng)口有一處水倉(cāng)，在回采至此處前水倉(cāng)一直使用，且路面經(jīng)常積水嚴(yán)重。工作面推進(jìn)到水倉(cāng)位置時(shí)，超前50 m范圍巷道高度變化為0．5 m/15 m。工作面繼續(xù)推進(jìn)14 m后，超前50 m范圍巷道高度變化為0．5 m/20 m。底板受水倉(cāng)水浸蝕較為嚴(yán)重。

表2 207工作面回風(fēng)超前巷道高度統(tǒng)計(jì)表

圖5中對(duì)比的是推采14 m前后，超前范圍內(nèi)各固定位置高度的變化。由圖5可知，工作面推采至水倉(cāng)位置，繼續(xù)向前推進(jìn)14 m后，超前范圍內(nèi)巷道高度除推采后超前10 m范圍巷道高度有小幅降低，向外范圍巷道高度基本沒(méi)有變化。

由圖6可知，工作面繼續(xù)向前推進(jìn)14 m后，超前40 m范圍內(nèi)巷道高度相對(duì)有小幅降低，向外范圍巷道高度基本沒(méi)有變化。

表3 207工作面回風(fēng)超前巷道高度統(tǒng)計(jì)表(推進(jìn)14 m后)

圖5 207工作面回風(fēng)超前定點(diǎn)(推進(jìn)14 m前后)高度對(duì)比圖

圖6 207工作面回風(fēng)超前范圍(推進(jìn)14 m前后)高度對(duì)比圖

通過(guò)上述分析可知，工作面推采過(guò)程中，十聯(lián)巷前采面?zhèn)人畟}(cāng)對(duì)巷道頂?shù)装逵幸欢ㄓ绊?，超前頂?shù)装逡平铀伲页?0 m范圍內(nèi)高度相差0．2 m左右。

3．2 抽放鉆孔施工排水對(duì)巷道壓力顯現(xiàn)的影響

207工作面回風(fēng)巷推采過(guò)開切眼至回風(fēng)十聯(lián)巷段，回風(fēng)巷補(bǔ)打抽放鉆孔施工打鉆水未能及時(shí)抽排，巷道底板長(zhǎng)期積水。207工作面推采過(guò)回風(fēng)十一聯(lián)巷(布置有大水倉(cāng))時(shí)，超前外布置2臺(tái)抽放鉆機(jī)，打鉆施工超前工作面50～100 m，工作面推采過(guò)受打鉆水影響的范圍需要8～10天，回風(fēng)超前壓力顯現(xiàn)，工作面回風(fēng)口高度2．7 m左右，未對(duì)回采推進(jìn)產(chǎn)生影響。

207工作面推采過(guò)回風(fēng)十一聯(lián)巷后，207回風(fēng)巷布置5臺(tái)抽放鉆孔施工鉆機(jī)，開始時(shí)，最前一臺(tái)鉆機(jī)超前工作面300 m左右，直至目前打鉆施工超前工作面500 m左右。工作面推采過(guò)目前打鉆影響區(qū)域需要40～60天，9月上旬，工作面開始推采至打鉆水影響時(shí)間較長(zhǎng)的位置，工作面回風(fēng)超前高度，工作面回風(fēng)口高度無(wú)法滿足生產(chǎn)需要。

207工作面推采過(guò)十聯(lián)巷以后，加強(qiáng)了207回風(fēng)巷抽排水工作，有效控制了底板積水問(wèn)題，巷道圍巖變形明顯減弱，尤其巷道底板變形得到有效控制。

4 結(jié)論

(1)回風(fēng)巷頂板壓力在超前100 m左右開始顯現(xiàn)，在超前30～60 m范圍內(nèi)變化最為劇烈，在超前30 m范圍內(nèi)頂板壓力顯現(xiàn)最為明顯。頂板在巷道斷面內(nèi)的頂板壓力分布差異性較小。抽放鉆場(chǎng)位置，斷面積增大，壓力顯現(xiàn)可能會(huì)更加明顯，而鉆場(chǎng)對(duì)頂板壓力顯現(xiàn)的影響并非決定性的。工作面周期來(lái)壓對(duì)超前壓力顯現(xiàn)沒(méi)有明顯影響。

(2)錨桿應(yīng)力最大值不大于200 kN，且原始支護(hù)的錨桿大部分完好，說(shuō)明目前使用的錨桿能夠基本滿足支護(hù)要求。進(jìn)入超前支護(hù)范圍后，錨桿應(yīng)力值受人為擾動(dòng)明顯，說(shuō)明目前的超前支護(hù)裝置能夠抵御頂板淺層的離層，有效支撐頂板，能夠滿足支護(hù)需要。

(3)底板在受水長(zhǎng)期浸蝕情況下，巷道壓力顯現(xiàn)更加明顯，變形更加劇烈。