綜采工作面預留回風巷超前壓力分析

馬龍濤

(陜西陜煤黃陵二號煤礦有限公司，陜西黃陵 727307)

0 引言

黃陵煤業(yè)二號煤礦采煤工作面采用三巷式布置，輔運巷與膠帶巷同側(cè)布置，中間留設煤柱，保留上一個工作面輔運巷作為下一個工作面的回風巷。回風巷服務時間相對較長，回采過程中全斷面來壓劇烈，底板和煤柱幫的變形尤其嚴重，頂板管理困難。為此，需要總結回采期間回風巷超前支承壓力分布規(guī)律，掌握外部因素對壓力顯現(xiàn)的影響，為回采過程中回風巷來壓預判提供科學依據(jù)，保證安全回采。

1 研究及工作內(nèi)容

項目在207采煤工作面回風巷實施，巷道設計高度3．8 m、寬度4．6 m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護。207回風巷地質(zhì)條件見表1。

工作面回風巷超前支護采用四連桿支撐掩護式ZQL2×5000/21/40型巷道超前支架進行支護，支護距離為42．6 m，支護強度為 0．27 MPa，底板比壓1.55 MPa。

表1 207工作面回風巷煤層頂?shù)装迩闆r一覽表

在207工作面回采中，對回風巷進行巷道變形、頂板壓力進行觀測及監(jiān)測，總結其分布及變化規(guī)律，掌握回采對回風巷頂板來壓的影響。超前工作面400 m，在207回風巷九聯(lián)巷向前70 m每隔20 m布置一個測站監(jiān)測頂板壓力，共布置測站6個，測站布置見圖1，各觀測點位置見圖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，安裝錨桿應力計，預緊力20 kN，測量頂板壓力變化情況。錨桿應力計間隔2 h自動記錄一組數(shù)據(jù)。在布置錨桿應力測點的同時，另選兩個點進行頂?shù)装逦灰朴^測，分析頂?shù)装逡平康淖兓?guī)律。

圖2 測點布置示意圖

2 回風巷超前壓力顯現(xiàn)分析

2．1 回風巷整體壓力分布分析

根據(jù)錨桿應力變化分析頂板應力隨工作面推進的變化情況。由于傳感器布置及回風巷超前設備布置條件的影響，第一組進入超前支護范圍的傳感器在進入超前支護范圍初期已經(jīng)損壞，該組傳感器數(shù)據(jù)沒有參考價值，在分析中僅剩余5組數(shù)據(jù)見圖3。圖中各圖為各個測站錨桿應力隨采點與機尾相對位置變化圖。圖中數(shù)據(jù)有缺失或明顯跳躍式變化系傳感器進入超前支護范圍后破損及支架支護頂板的人為擾動所致。

圖3 各測站錨桿應力隨采點與機尾相對位置變化圖

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

圖中各處主幫、副幫、中部數(shù)據(jù)沒有明顯差異，說明在頂錨桿支護范圍內(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)，錨桿應力值緩慢變化，說明巷道在此范圍處于應力平衡狀態(tài)，此階段及時處理了回風巷鉆場打鉆出水，施工未對巷道圍巖應力產(chǎn)生擾動。

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3244處距離工作面40 m時，工作面停產(chǎn)檢修2天。工作面停止推進，對超前壓力影響范圍內(nèi)的各測點都產(chǎn)生了影響，尤其是在40 m、60 m、120 m處比較明顯。此時，超前工作面40 m、100 m工作面?zhèn)扔幸粋€抽放鉆場，超前工作面60 m、80 m、120 m的位置，處在各自相應位置瓦斯抽放鉆場15 m范圍內(nèi)。說明抽放鉆場斷面積增大，壓力顯現(xiàn)可能會更加明顯，而鉆場對頂板壓力顯現(xiàn)的影響并非決定性的，可能還受到頂?shù)装鍡l件和鉆場積水等條件的影響。

工作面周期來壓步距為18～28 m，且由于工作面支架選型支護阻力較大，周期來壓期間工作面壓力顯現(xiàn)不是特別明顯，隨工作面推進錨桿應力變化的趨勢線未出現(xiàn)周期性波動，說明工作面周期來壓與巷道超前壓力分布沒有明顯的線性關系。

剔除擾動影響的數(shù)據(jù)，由圖4中可知:錨桿應力在超前工作面100 m左右開始有明顯變化;30～60 m范圍錨桿應力變化最為劇烈;30 m范圍至機尾逐漸趨于平緩，但是此段應力值最大。說明頂板應力在超前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 各測站錨桿應力隨采點與機尾相對位置變化圖

3 巷道積水對超前壓力顯現(xiàn)影響分析

3．1 工作面回風巷過水倉超前高度變化分析

在207工作面過回風巷十聯(lián)巷時，十聯(lián)巷向外15 m布置有一處鉆場內(nèi)設有水倉，在此處選取兩個點進行頂?shù)装逦灰朴^測，分析頂?shù)装逡平康淖兓?guī)律，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)見表2。由于人為擾動對底板的影響，表中的數(shù)據(jù)有一定的誤差。

由表2可知:207工作面回風巷超前100 m外，高度大致在3．5 m左右;回風超前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，對巷道頂?shù)装逡平康淖兓瘺]有明顯影響。

巷道底板在超前15 m范圍內(nèi)最為嚴重。

工作面推進14 m后實測數(shù)據(jù)見表3。由表3可知:推采14 m后，207工作面回風超前80 m外，高度大致在3．5 m;回風超前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至工作面回風口高度基本沒有變化。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，對巷道頂?shù)装逡平康淖兓瘺]有明顯影響。巷道底板在超前10 m范圍內(nèi)最為嚴重。

首次實測數(shù)據(jù)時，工作面回風口有一處水倉，在回采至此處前水倉一直使用，且路面經(jīng)常積水嚴重。工作面推進到水倉位置時，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。底板受水倉水浸蝕較為嚴重。

表2 207工作面回風超前巷道高度統(tǒng)計表

圖5中對比的是推采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，工作面推采至水倉位置，繼續(xù)向前推進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有變化。

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

表3 207工作面回風超前巷道高度統(tǒng)計表(推進14 m后)

圖5 207工作面回風超前定點(推進14 m前后)高度對比圖

圖6 207工作面回風超前范圍(推進14 m前后)高度對比圖

通過上述分析可知，工作面推采過程中，十聯(lián)巷前采面?zhèn)人畟}對巷道頂?shù)装逵幸欢ㄓ绊懀绊數(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巷道壓力顯現(xiàn)的影響

207工作面回風巷推采過開切眼至回風十聯(lián)巷段，回風巷補打抽放鉆孔施工打鉆水未能及時抽排，巷道底板長期積水。207工作面推采過回風十一聯(lián)巷(布置有大水倉)時，超前外布置2臺抽放鉆機，打鉆施工超前工作面50～100 m，工作面推采過受打鉆水影響的范圍需要8～10天，回風超前壓力顯現(xiàn)，工作面回風口高度2．7 m左右，未對回采推進產(chǎn)生影響。

207工作面推采過回風十一聯(lián)巷后，207回風巷布置5臺抽放鉆孔施工鉆機，開始時，最前一臺鉆機超前工作面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間較長的位置，工作面回風超前高度，工作面回風口高度無法滿足生產(chǎn)需要。

207工作面推采過十聯(lián)巷以后，加強了207回風巷抽排水工作，有效控制了底板積水問題，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 結論

(1)回風巷頂板壓力在超前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。抽放鉆場位置，斷面積增大，壓力顯現(xiàn)可能會更加明顯，而鉆場對頂板壓力顯現(xiàn)的影響并非決定性的。工作面周期來壓對超前壓力顯現(xiàn)沒有明顯影響。

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

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