采煤工作面應(yīng)力疊加區(qū)的頂板管理探索

華 樂 ，劉 峰 ，強(qiáng) 偉 ，張 勇

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司鮑店煤礦，山東鄒城 273513；2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)三煤礦，山東 鄒城 272069）

1 工作面概況

工作面可采推進(jìn)長度1457/1610m，面長103/210m。工作面煤層厚度3.00～3.47m，平均3.29m，埋藏深度-525m，基礎(chǔ)儲量139.5萬t。

工作面位于礦井東南部，西部上方為白馬河。工作面設(shè)計停采線位于白馬河西河堤以西346～390 m，工作面切眼位于白馬河?xùn)|河堤以東929～1061m。地面為塌陷區(qū)及河流。103下05綜采面是南翼十采區(qū)第五個區(qū)段的3下煤工作面。該工作面位于十采區(qū)中部，為十采區(qū)3下煤層第五個區(qū)段的工作面。東起工作面切眼，西至工作面設(shè)計停采線，北鄰103下04工作面采空區(qū)，南鄰尚未開采的103下06工作面，工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r一覽表

103下05工作面北順槽為運(yùn)輸順槽，沿103下04工作面采空區(qū)布置，中間留設(shè)3m隔離煤柱，靠工作面內(nèi)側(cè)布置膠帶輸送機(jī)；南順槽為軌道順槽及中間巷，為實(shí)體巷道，巷道幾何參數(shù)及支護(hù)形式見表2：

表2 巷道幾何參數(shù)、支護(hù)形式及用途一覽表

2 封閉前的頂板管理

工作面上方為103上05和103上06工作面采空區(qū),上分層因設(shè)計上的原因留設(shè)8米煤柱。103下05工作面受礦井接續(xù)影響，工作面于2015年12月份組織封閉，2016年3月份啟封后組織生產(chǎn)，臨時封閉3個月。

2.1 工作面頂板管理

2.1.1上網(wǎng)要求

工作面推進(jìn)至距臨時停采位置3m時，全面上單層金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)使用1.3×7.8m的菱形網(wǎng)，臨時停采后保證網(wǎng)喝至支架頂梁以里1m，面前全面輔網(wǎng)至底板。

2.1.2頂板錨桿施工

工作面停采后在距離煤壁800mm處施工一排頂板錨桿，錨桿施工在架間，隔兩架施工一根，間距約3m。在肩窩處按照與水平成75°的夾角斜向上施工一排錨桿，錨桿施工在架間，隔兩架施工一根，間距約3m，肩窩錨桿與第一排錨桿錯茬施工。

2.1.3煤壁錨桿施工

煤壁施工2排錨桿，排距自肩窩分別為1m、2m，間距3m，錨桿位置布置在煤壁每個支架中間，呈三花眼布置并與頂部錨桿錯茬施工。施工過程中可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況適當(dāng)加大支護(hù)密度。

2.1.4其它工程質(zhì)量要求

工作面采高確保3.2±0.1m，工作面支架立柱活柱行程不小于500mm。局域采高過低處，在主頂梁下打點(diǎn)柱的形式預(yù)防封閉期間支架被壓死。

工作面支架全部拉超前架，并將插板伸出，打出護(hù)幫板，全面無空頂空幫現(xiàn)象。煤壁片幫時采用護(hù)幫板打木料的形式護(hù)幫。

2.2 順槽頂板管理

2.2.1軌順超前支護(hù)頂板管理

軌順采用ZT107000/22/38型順槽超前支架組進(jìn)行支護(hù)，超前維護(hù)距離約40m。末號架外側(cè)切頂線處至順槽支架后尾采用單體液壓支柱配合一字梁維護(hù)頂板，一梁三柱。

2.2.2運(yùn)順超前支護(hù)頂板管理

運(yùn)順靠轉(zhuǎn)載機(jī)外側(cè)沿工作面推進(jìn)方向使用2排1000×800mm十字頂梁（一梁三柱）進(jìn)行支護(hù)，轉(zhuǎn)載機(jī)里側(cè)沿工作面推進(jìn)方向使用1排1000mm一字梁（一梁三柱）進(jìn)行支護(hù)，金屬頂梁維護(hù)段約30m（至破碎機(jī)位置），金屬頂梁維護(hù)段往外至轉(zhuǎn)載機(jī)頭施工2排走向單體（轉(zhuǎn)載機(jī)里、外側(cè)各1排），轉(zhuǎn)載機(jī)頭向外采用在人行道頂板下打1排支柱的方式支護(hù)，總維護(hù)距離不小于120m。

3 工作面現(xiàn)狀

103下05工作面于2016年3月份組織生產(chǎn)后，軌順超前支護(hù)外段出現(xiàn)兩處小型頂板垮落區(qū)，且軌順靠外幫側(cè)出現(xiàn)鋼帶斷裂、錨桿失效現(xiàn)象。頂板垮落區(qū)距工作面約40m，位于上分層煤柱區(qū)斜下方，垮落范圍 1.6m×1.6m×0.5m、2.4m×1.2m×0.5m，且附近約20m范圍頂板破碎并伴隨頂板淋水現(xiàn)象。超前支護(hù)前頭至頂板垮落區(qū)靠外幫連續(xù)多處第二根頂部錨桿失效、鋼帶斷裂。巷道變形量顯著增大。工作面示意圖如圖1。

圖1 工作面示意圖

4 原因分析

4.1 超前支撐壓力影響

103下05工作面位于兗州向斜軸部，煤層埋深大，應(yīng)力集中程度較高，礦震現(xiàn)象比較頻繁，頂板壓力大，易造成局部頂板破碎，受礦震活動影響，超前動壓影響范圍大。

4.2 煤柱應(yīng)力重新分布影響

工作面上方留設(shè)8m煤柱。上方煤柱兩側(cè)應(yīng)力圈之間的巖梁較小，裂隙帶懸臂梁前端下沉后，懸臂梁后端即煤柱上方巖梁也會產(chǎn)生裂隙變形，裂隙帶貫通。由于煤柱寬度較小，煤柱兩側(cè)均采空后，煤柱兩側(cè)應(yīng)力交合，緩沉帶的下位巖梁也產(chǎn)生輕微裂隙，緩沉帶變?yōu)椴话l(fā)育的裂隙帶，形成一個新的跨度較大的應(yīng)力供雛形。工作面啟封后，受采動影響煤柱上方的巖梁產(chǎn)生一定程度的裂隙、緩沉帶壓力轉(zhuǎn)移，應(yīng)力重新分布，逐步形成新的應(yīng)力平衡。

4.3 支護(hù)質(zhì)量影響

103下05軌順2014年3月份開始施工，2014年年底施工完畢。根據(jù)“三減三提”項(xiàng)目規(guī)劃對103下05軌順進(jìn)行了支護(hù)材料優(yōu)化，3下煤實(shí)體順槽減掉了頂部錨桿托盤。2014年全礦均使用小螺帽錨桿，大螺帽錨桿在2015年3月份才開始投入使用。此支護(hù)方案在正常組織生產(chǎn)時能夠滿足支護(hù)要求，但沒有考慮到臨時封閉后的頂板下沉、壓力集中。

4.4 地質(zhì)構(gòu)造影響

冒頂范圍沒有特殊地質(zhì)構(gòu)造，但冒頂范圍處由于頂板裂隙發(fā)育區(qū)，頂板有淋水，圍巖變形，頂板弱化，巖體鉸接程度下降。

4.5 頂板巖性分析

103下05工作面?zhèn)雾敳话l(fā)育。直接頂為粉砂巖，泥質(zhì)膠結(jié),致密較堅硬，層理不明顯，節(jié)理較發(fā)育,比較破碎,f=4～5，平均厚度2.19m。老頂為粉細(xì)砂巖互層,以灰白色細(xì)砂巖為主，夾深灰色粉砂巖條帶，成分主要為石英、長石,含少量黑色礦物,泥硅質(zhì)膠結(jié)，致密堅硬，發(fā)育緩波狀層理，節(jié)理較發(fā)育，f=6～7，平均厚度4.7m。

經(jīng)分析造成頂板垮落原因有：一是頂板垮落區(qū)位于超前支撐壓力及上分層煤柱壓力疊加區(qū)，應(yīng)力集中程度高。二是支護(hù)強(qiáng)度低，頂部錨桿減少拖盤在工作面正常生產(chǎn)期間能夠滿足支護(hù)要求，但受礦井接續(xù)影響，工作面組織了臨時封閉，啟封后受采動影響，造成工作面壓力集中。三是頂板垮落范圍頂板裂隙發(fā)育，受頂板淋水影響，頂板相對弱化。應(yīng)力疊加示意圖如圖2。

圖2 應(yīng)力疊加區(qū)示意圖

5 分段、分時支護(hù)方案

5.1 垮落區(qū)頂板維護(hù)

采用木料接頂，下全斷面工字鋼棚維護(hù)頂板，一梁四柱，維護(hù)范圍20m。由于冒落的拱高不超過1m，跨度較小，而且頂板巖石不繼續(xù)冒落。首先在冒頂區(qū)兩側(cè)架設(shè)掩護(hù)棚，采用長料搭在冒頂兩頭完好的棚架上，然后在涼棚的掩護(hù)下進(jìn)行出矸、架棚等操作。架完棚以后，再在涼棚上用木料把頂接實(shí)。

5.2 垮落區(qū)兩側(cè)頂板維護(hù)

在原有支護(hù)基礎(chǔ)上巷道兩側(cè)各10米采用敷設(shè)兩路走向鋼帶，補(bǔ)打錨索加強(qiáng)支護(hù)。距離煤壁0.5m采用GDⅡT 140/20Q/YZK 034型鋼帶沿巷道走向敷設(shè)，鋼帶抄手連接。錨索采用規(guī)格為Φ22×7000mm的錨索，間距3m,錨索預(yù)緊力6～8t,鉆孔直徑30mm，采用兩支MSCK23/70Q/YZK 033樹脂藥卷錨固。錨索托盤：采用220mm×220mm×20mm平托盤。

5.3 原始巷道支護(hù)方案

將壓力區(qū)域劃分為三個區(qū)域：Ⅰ區(qū)為頂板應(yīng)力疊加區(qū)約20m；Ⅱ區(qū)為頂板應(yīng)力疊加區(qū)外10m；Ⅲ區(qū)為壓力區(qū)附近煤幫。根據(jù)工程實(shí)踐及計算機(jī)數(shù)值模擬分析，確定如下指標(biāo)：

Ⅰ區(qū)——應(yīng)力疊加區(qū)頂板離層值，20mm；

Ⅱ區(qū)——應(yīng)力疊加區(qū)外10m范圍頂板離層值，30mm；

Ⅲ區(qū)——兩幫相對移進(jìn)量，100mm。

若上述指標(biāo)超過規(guī)定值，應(yīng)及時調(diào)整支護(hù)形式。Ⅰ區(qū)增加錨索數(shù)量，錨索呈五花眼布置。第一排布置兩根錨索，第二排布置一根錨索，第三排布置兩根錨索，以此類推。并在布置一排錨索的鋼帶下支設(shè)兩棵單體液壓支柱。Ⅱ區(qū)每隔一排增加兩根錨索，并在未增加錨索的鋼帶下施工一棵單體液壓支柱。Ⅲ區(qū)每排增加一根錨桿。

為提高支護(hù)效果、有效控制巷道變形，在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上增加錨索并加設(shè)點(diǎn)柱。通過錨桿、錨索主動支護(hù)加上剛性支護(hù)共同作用，形成一個多層次支撐拱，以達(dá)到有效控制巷道變形的目的。支護(hù)示意圖如圖3。

圖3 支護(hù)示意圖

6 效果監(jiān)測

分別在應(yīng)力疊加區(qū)及應(yīng)力疊加區(qū)外前后10米內(nèi)各布置兩個測點(diǎn)，每天對頂?shù)装逡七M(jìn)量和兩幫移進(jìn)量進(jìn)行監(jiān)測。觀測數(shù)據(jù)見表3、表4、表5、表6：

表3 應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)測點(diǎn)1（工作面方向）

表4 應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)測點(diǎn)2（停采線方向）

表5 應(yīng)力疊加區(qū)外測點(diǎn)1（工作面方向）

表6 應(yīng)力疊加區(qū)外測點(diǎn)2（停采線方向）

通過上面數(shù)據(jù)可以看出，通過加強(qiáng)支護(hù)頂板下沉量及兩幫移進(jìn)量都得到了有效控制。

7 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

避免了工作面順槽因應(yīng)力疊加造成回采期間的頂板管理困難，實(shí)現(xiàn)了采煤工作面特殊條件下的安全快速回采。工作面月推進(jìn)度240m,超預(yù)期計劃40m。經(jīng)濟(jì)效益：

8 結(jié) 語

通過分段、分時支護(hù)可有效控制工作面壓力疊加區(qū)的巷道變形量，減少煤柱應(yīng)力“鐘”形分布與超前支撐應(yīng)力疊加對巷道造成的破壞。巷道圍巖的變形和塑性區(qū)的控制效果明顯，確保了巷道的整體穩(wěn)定性，可以滿足生產(chǎn)需要。