強沖擊大采高綜采工作面超前支護技術(shù)*

王俊峰

(中煤西北能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307)

0 引言

納林河二號煤礦31102工作面回采期間回風(fēng)巷超前支護段頂板下沉、片幫嚴重，巷道錨索、錨桿大量失效，能量釋放事件頻繁，有強沖擊地壓風(fēng)險，嚴重影響安全高效回采。因此，對強沖擊臨空巷道超前支護研究，選擇適合現(xiàn)場的支護方式尤為重要。

強礦壓大采高工作面超前支護多采用自移式液壓支架[1]、垛式支架[2]、單元支架[3]、自移式吸能防沖超前支架[4]等進行支護，但對強礦壓大采高臨空巷道超前支護研究較少。為此，通過對礦壓理論分析及對采動覆巖規(guī)律研究，創(chuàng)新性采用了“四位一體”超前支護設(shè)計，以期實現(xiàn)安全高效開采。

1 工程概況

31102工作面為納林河二號煤礦第二個回采工作面，工作面長241 m，走向長度約3 070 m，煤層厚度5.5 m，為近水平煤層[5]。31102工作面北部為31101工作面采空區(qū)，區(qū)段煤柱寬度20 m，原31101工作面輔運巷沿空留巷兼作31102工作面回風(fēng)巷。工作面煤層直接頂為4.7 m厚粉砂巖，老頂為15 m厚細粒砂巖，上部存在23 m厚粉砂巖。經(jīng)鑒定，3-1煤及頂板具有強沖擊傾向性；31102工作面強礦壓危險等級為中等危險性，31102工作面回風(fēng)巷強危險區(qū)2個，巷道整體強礦壓危險性較高，不采取針對性措施將嚴重影響高效回采及安全。圖1為31102工作面巷道布置示意圖。

圖1 31102工作面巷道布置示意圖

2 強礦壓臨空巷道超前段礦壓機理分析

針對強礦壓臨空巷道支護難題，只有對臨空巷道圍巖變形機理深入分析研究，充分掌握巷道礦壓及變形規(guī)律才能從根本上采取針對性防治措施[6]。為此，通過對臨空巷道超前支護300 m圍巖變形機理，微震監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)及地面沉降數(shù)據(jù)綜合分析，得出覆巖運動規(guī)律及強礦壓臨空巷道超前段礦壓機理。

2.1 臨空巷道圍巖變形機理

31101工作面回采期間，臨空巷道受一次采動超前壓力和采后覆巖側(cè)向應(yīng)力作用導(dǎo)致31102工作面回風(fēng)巷大變形，表現(xiàn)為頂板下沉、片幫、底鼓、支護失效。31102工作面回采期間，受二次采動超前支承壓力作用臨空巷道兩幫會再次移近，沿垂直方向產(chǎn)生變形，基本頂巖層進一步回轉(zhuǎn)，造成頂板下沉[7]。在上覆載荷作用下，頂煤與頂板巖層之間產(chǎn)生相對滑移。頂煤承受較大的剪力作用發(fā)生剪脹，造成頂板錨桿、錨索破斷。臨空巷道應(yīng)力過大，經(jīng)煤柱、巷道傳遞至巷道底板局部應(yīng)力集中，造成巷道底板鼓起、底板滑移。如在聯(lián)巷口、吊車硐室口、構(gòu)造帶附近等位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致沖擊地壓風(fēng)險較大。

2.2 臨空巷道覆巖運動規(guī)律分析

根據(jù)姜福興教授“載荷三帶”理論[8]，通過理論計算結(jié)合煤層應(yīng)力、微震系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，將31102工作面回采覆巖結(jié)構(gòu)演化劃分為“五階段”，分別是初次來壓階段、單見方階段、O型-S型覆巖結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換階段、雙工作面見方階段、覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定階段[9](五階段覆巖規(guī)律如圖2～5所示，頂板覆巖運動情況見表1)。通過對地表沉降觀測數(shù)據(jù)綜合分析得出：二次見方期間，覆巖運動劇烈，地表快速下沉；二次見方以后，覆巖運動趨于緩慢，地表下沉速率呈下降趨勢，臨空巷道采動礦壓趨于穩(wěn)定，基本與工作面礦壓顯現(xiàn)實際吻合(31102工作面地表沉降觀測情況如圖6所示)。

2.3 臨空巷道超前段礦壓觀測

通過應(yīng)力、微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出臨空巷道超前支承壓力影響范圍約280 m，此范圍為強礦壓災(zāi)害防治的重點區(qū)域。微震監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示的超前影響范圍如圖7所示。

圖2 工作面初次來壓階段覆巖運動狀態(tài)示意圖

圖3 工作面單見方階段覆巖運動狀態(tài)示意圖

圖4 O型-S型覆巖結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換階段覆巖運動狀態(tài)示意圖

圖5 雙工作面見方覆巖運動狀態(tài)示意圖

表1 31102工作面覆巖運動“五階段”監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖6 31102工作面地表沉降觀測數(shù)據(jù)曲線

圖7 微震監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示的超前影響范圍

3 強礦壓臨空巷道超前支護方案設(shè)計

3.1 “四位一體”分區(qū)支護

依據(jù)微震數(shù)據(jù)分析，結(jié)合31102回風(fēng)巷超前支護段現(xiàn)場情況，得出適合現(xiàn)場的“四位一體”分區(qū)控制超前支護設(shè)計，如圖8所示。

圖8 基于臨空巷道微震走向分布特征的“四位一體”分區(qū)示意圖

高頻區(qū)及其支護：高頻區(qū)位于工作面超前0～40 m，為微震頻次峰值區(qū)，覆巖裂隙發(fā)育最為劇烈，圍巖破碎，發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)事件概率較高。該區(qū)域超前支護裝備需具備較大支護強度，且需對臨空巷道頂板形成有效支護，故采用高強度垛式支架進行支護。

中頻區(qū)及其支護：中頻區(qū)位于超前40～193 m，為微震頻次較高區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)事件1次，如采用垛式支架支護會因頻繁卸支造成頂板破碎漏頂，故該區(qū)域采用單元支架支護。

低頻區(qū)及其支護：低頻區(qū)位于工作面超前193～293 m，為微震頻次較低區(qū)域?，F(xiàn)場未發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)事件，故采用單體支護配合鉸接頂梁支護。

穩(wěn)定區(qū)及其支護：穩(wěn)定區(qū)位于工作面超前293 m以外，為微震頻次較低且無礦壓顯現(xiàn)區(qū)域。故該區(qū)域不新增補強支護，但定期進行頂板專項隱患排查。

3.2 主要支護參數(shù)確定

高頻區(qū)支護方式及關(guān)鍵支護參數(shù)確定：針對臨空巷道超前支護難題，選擇防沖抗震效果良好的垛式液壓支架作為強礦壓顯現(xiàn)劇烈區(qū)域的支護設(shè)備[10]。建立臨空巷道強動壓頻繁擾動力學(xué)模型，如圖9所示。通過側(cè)向支承壓力計算得，側(cè)向支承壓力最大值為63.30 MPa，相較原巖應(yīng)力擴大了3.4倍?，F(xiàn)臨空巷道煤柱側(cè)應(yīng)力最大值為24.10 MPa，受采動影響煤柱應(yīng)力增大了3.38倍，與理論結(jié)果基本一致。結(jié)合臨空巷道超前力學(xué)模型分析結(jié)果，得到高頻區(qū)高強垛式支架合理支護強度約為1.42 MPa。

臨空巷道超前支護(中頻區(qū))強度的確定：基于力矩平衡關(guān)系，且不考慮巖塊之間的鉸接關(guān)系，分別建立了臨空巷道超前力學(xué)模型，臨空巷道圍巖變形預(yù)計模型以及圍巖變形量計算模型，為計算巖層回轉(zhuǎn)角，最終確定臨空巷道中頻區(qū)合理支護強度為0.42 MPa。

圖9 臨空巷道強動壓頻繁擾動力學(xué)模型

3.3 臨空巷道超前支護段具體設(shè)備布置

0～40 m：采用6臺ZZ16000/24/44型垛式超前液壓支架支護，單排布置。1#～3#為一組，4#～6#為一組。兩組垛式支架頂梁間距不大于2 500 mm。垛式支架與正幫間，支護一排懸浮式單體，單體間距1 m(頂板每根鋼梁下均支護一根單體)，距正幫1.3 m，距綜采工作面不大于2 m，距單元支架不大于1 m。垛式支架頂梁距單元支架頂梁不大于1 m。0～40 m設(shè)備布置方式如圖10所示。

40～193 m：采用148架ZQ4000/22/44單元支架支護。采用ZQ4000/22/44型單元、雙排布置，同排正副幫單元架立柱中心間距為2 360 mm(兩排單元架底座內(nèi)間距為1 420 mm)，每列前后兩臺間距為2.2 m，共148架，支護距離為148/2×2.2=162.8 m。40～193 m超前支護設(shè)備布置方式如圖11所示。

圖10 臨空巷道超前0～40 m支護設(shè)備布置方式

圖11 臨空巷道超前40～193 m支護設(shè)備布置方式

193～293 m：采用液壓單體支柱+π型梁，一梁兩柱支護，鋼梁長度為4 400 mm，頂梁垂直于巷幫布置，一梁兩柱、單體梁排距為1 000 mm。單體距兩幫700 mm，支護后單體間行車寬度大于600 mm。

3.4 臨空巷道超前支護效果分析

支護效果：巷圍巖變形明顯變小，未出現(xiàn)嚴重冒頂、片幫事件，日均推進刀數(shù)為11.1刀，實現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)。

強礦壓分區(qū)防治：建立了強礦壓分區(qū)防治理念，高危險區(qū)實現(xiàn)了“強支護、低擾動”。垛式支架立柱受沖擊載荷瞬時加載時卸壓迅速[11-12]，未發(fā)生嚴重的片幫、冒頂、單元支架傾倒事件，行人通道頂板無明顯下沉，底板底鼓現(xiàn)象緩解，當(dāng)前支護方式滿足現(xiàn)場使用需要。

經(jīng)濟效益：采用“四位一體”分區(qū)控制超前支護，通過“周期調(diào)速、躲壓穩(wěn)產(chǎn)”的組織生產(chǎn)，日均推采11.1刀，月均產(chǎn)量提升，經(jīng)濟效益顯著。

4 結(jié)論

(1)對臨空巷道圍巖變形理論及現(xiàn)場圍巖應(yīng)力、微震監(jiān)測、地面沉降數(shù)據(jù)綜合分析，將工作面覆巖運動劃分“五階段”(即初次來壓階段、單見方階段、O型-S型覆巖結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換階段、雙工作面見方階段、覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定階段)，確定各階段覆巖運動規(guī)律，是臨空巷道超前支護段支護設(shè)計的關(guān)鍵基礎(chǔ)工作。

(2)根據(jù)強礦壓大采高臨空巷道超前支護段微震監(jiān)測結(jié)果頻率分段，在礦壓高頻段采用垛式支架進行高強度支護，中頻段采用雙排單元支架支護，低頻段采用常規(guī)單體支護，形成科學(xué)“四位一體”分區(qū)控制超前支護技術(shù)，具有抗沖擊能力強，有效控制圍巖變形，減少巷道維護工作的特點，保障了現(xiàn)場安全，實現(xiàn)了高效回采，經(jīng)濟效益明顯，具備較強的推廣應(yīng)用價值。