大采高綜采面采空側(cè)巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

張 毅

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

1 概況

陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司9713 大采高綜采工作面位于七采區(qū)，開采9#煤，開采標(biāo)高+724～+756 m，埋藏深度359～460 m。 工作面沿煤層走向開采，可采長度平均1 172 m，傾斜長220 m，面積為257 840 m2。工作面由北向南依次布置回風(fēng)順槽、低位抽采巷、走向高抽巷、進(jìn)風(fēng)順槽.9713 工作面北部靠近9712 工作面采空區(qū)， 東鄰七采區(qū)系統(tǒng)大巷，南部靠近9#煤七采區(qū)未采區(qū)域，西接9804工作面采空區(qū)，其中，工作面回風(fēng)順槽靠近采空區(qū)側(cè)。

9#煤層厚度5.0～5.6 m，平均5.17 m，煤層傾角為2°～10°，平均4°。 工作面切巷沿煤層傾向南北向布置，沿煤層走向由西向東推進(jìn)。9713 進(jìn)、回風(fēng)巷與鄰近工作面煤柱均為35 m；進(jìn)風(fēng)巷、切巷均沿9#煤層頂板布置； 回風(fēng)巷在煤層分叉區(qū)沿9#煤層底板布置， 在煤層合并區(qū)沿9#煤層頂板布置；煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度7.88 m，水平層理，夾粉砂巖條帶，含砂量不均，具節(jié)理；煤層直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度9.34 m，下部含粉砂巖薄層，性脆，斷口呈參差狀，致密，細(xì)膩。

國內(nèi)外大采高綜采工作面的開采實(shí)踐表明，工作面采高增大后，采空區(qū)頂板的下沉空間也隨之加大，超前支承壓力也將隨之加大，容易造成巷道圍巖進(jìn)一步失穩(wěn)，冒頂、片幫現(xiàn)象頻發(fā)，巷道壓力大、變形嚴(yán)重， 一直是大采高工作面面臨的常見問題，持續(xù)影響工作面推進(jìn)速度及安全高效生產(chǎn)[1-5]。

圖1 9713 工作面平面布置

2 巷道圍巖狀態(tài)數(shù)值模擬

2.1 模擬方案

為比較采空側(cè)與非采空側(cè)巷道圍巖狀態(tài)，根據(jù)9713 工作面地質(zhì)及煤層賦存條件，采用UDEC軟件對9713 工作面進(jìn)、 回風(fēng)順槽受采動影響下塑性區(qū)分布、破壞深度進(jìn)行模擬，模型的建立條件參數(shù)為：所建立的模型煤厚為5.0 m，將煤層劃分為寬×高=0.25 m×0.25 m的塊體，直接頂1.0 m×0.5 m，底板1.0 m×0.5 m。 整個模型大小為 （寬×高）200 m×150 m， 以深400 m位置的上邊界載荷模擬，支架工作阻力8 000 kN，煤層傾角設(shè)定為4°。

各巷道尺寸及支護(hù)方式具體如下：

9713 回風(fēng)巷斷面為矩形，荒寬5.0 m，荒高4.3 m，頂部采用5 根Φ21.8 mm×6 200 mm （1×19 股）錨索，兩幫各布置4 根Φ20 mm×2 400 mm左旋無縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿， 兩根Φ17.8 mm×4 200 mm（1×7 股）幫錨索，支護(hù)排距均為1 m。

9713進(jìn)風(fēng)巷斷面為矩形，荒寬5.0 m，荒高3.7 m，頂部采用5 根Φ17.8 mm×6 200 mm（1×7 股）錨索，兩幫各布置4 根Φ20 mm×2 400 mm左旋無縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，支護(hù)排距也為1 m。

2.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，參考不同采高下圍巖狀態(tài)[6]，采空側(cè)與非采空側(cè)對巷道圍巖狀態(tài)特別是巷幫的影響有較大區(qū)別，煤幫塑性區(qū)分布、煤壁破壞深度及煤體位移曲線分別見圖2(a)、圖2(b)。

圖2 煤幫塑性區(qū)、破壞深度及煤體位移曲線

通過對進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽回采條件下圍巖狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬計算，可明顯看出，巷幫煤體塑性區(qū)分布范圍、破壞深度、位移量三者都有明顯區(qū)別。

回風(fēng)順槽北側(cè)由于靠近9712 工作面采空區(qū)，巷道圍巖尤其是北幫變形明顯， 平均變形量為0.8 m，煤壁先受剪切再受拉伸破壞，表現(xiàn)為煤壁中上部片幫，煤壁位移量為305 mm，而且片幫范圍較大；巷幫塑性區(qū)范圍達(dá)到1.1～1.5 m， 煤壁穩(wěn)定性差，圍巖平衡性差。

進(jìn)風(fēng)順槽南側(cè)靠近9714 工作面（未采），巷道南幫幾乎不發(fā)生變形或極少量片幫；平均變形深度在0.2 m以內(nèi)，主要發(fā)生在煤壁中部，煤壁位移量不明顯；南部塑性區(qū)范圍不超過0.6 m，圍巖狀態(tài)良好。

3 工作面超前支承礦壓觀測

3.1 觀測內(nèi)容及方案

為研究分析進(jìn)、回風(fēng)順槽礦壓顯現(xiàn)規(guī)律以及頂錨索支護(hù)效果，對巷道圍巖表面位移以及頂部錨索載荷進(jìn)行監(jiān)測， 之后通過對數(shù)據(jù)資料的整理分析，作為分析進(jìn)、回風(fēng)側(cè)的支撐壓力的現(xiàn)場依據(jù)，因此礦壓觀測內(nèi)容主要包括：

（1）巷道斷面變形量。 主要反映巷道圍巖變形程度，具體包括頂?shù)装逡平?、兩幫移近量，見圖3。

（2）頂板錨索受力載荷，錨索測力儀見圖4。

圖3 巷道表面位移測站布置

圖4 YAD200 礦用錨索測力儀

3.2 測站布置及觀測

為分別監(jiān)測9713 工作面進(jìn)、 回風(fēng)順槽圍巖變形與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律， 采用綜合測站YAD200 礦用錨索測力儀進(jìn)行監(jiān)測，測站分布情況為：

進(jìn)風(fēng)順槽由于靠近實(shí)體煤， 綜合測站間隔為500 m， 從設(shè)計停采線開始一共布置有3 個綜合測站，回風(fēng)順槽由于靠近采空區(qū)，綜合測站間隔為300 m，共布置有5 個測站，其中，進(jìn)、回風(fēng)順槽第一組測站均設(shè)置在停采線處，停采線至切巷依次為1#、2#…測站。

為防止儀表損壞，保證儀表讀數(shù)可靠，每個測站安裝YAD200 礦用錨索測力儀3 塊， 對應(yīng)錨索為第2、3、4 根，選用性能可靠的在線、無線傳導(dǎo)采集式儀器，在距工作面100 m處開始觀測，同時對測站處表面位移進(jìn)行觀測，A、B、C和D應(yīng)分別布置在巷道頂?shù)装搴蛢蓭驼形恢茫?使用長度為5 000 mm鋼卷尺觀測， 觀測期間分別觀測儀表讀數(shù)及AB、CD、OA和OC距離，并由專人每天記錄。

3.3 觀測結(jié)果與分析

根據(jù)9713 工作面現(xiàn)推進(jìn)距離（距切巷430 m），通過收集、整理與分析進(jìn)風(fēng)順槽3#測站和回風(fēng)順槽4#測站，最終得到進(jìn)、回風(fēng)巷超前壓力分布圖及巷道變形量見圖5～圖8。

圖5 9713 進(jìn)風(fēng)超前壓力分布

圖6 9713 回風(fēng)超前壓力分布

圖7 9713 回風(fēng)頂?shù)装遄冃瘟?/p>

圖8 9713 回風(fēng)兩幫變形量

通過9713 工作面不同推進(jìn)距離進(jìn)回風(fēng)順槽超前壓力分布圖（見圖5、圖6）結(jié)合9713 回風(fēng)巷道變形規(guī)律（見圖7、圖8）可以看出，由于回風(fēng)順槽靠近采空區(qū)， 當(dāng)工作面推進(jìn)到距回風(fēng)順槽4#測站60 m處時，巷道圍巖開始出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板壓力開始增大，同時巷道開始變形；推進(jìn)到距回風(fēng)順槽4#測站35 m左右時， 巷道圍巖應(yīng)力集中開始急劇上升；推進(jìn)到15 m左右時，巷道頂板壓力達(dá)到最大值，巷道圍巖變形速度也達(dá)到最快，頂?shù)装逡平俣冗_(dá)76 mm/d，兩幫移近速度更是達(dá)82 mm/d，之后頂?shù)装寮皟蓭妥冃嗡俾示_始明顯下降；進(jìn)風(fēng)順槽靠近實(shí)體煤幫，當(dāng)工作面推進(jìn)到距進(jìn)風(fēng)順槽3#測站35 m時，巷道圍巖開始出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板壓力開始增大； 推進(jìn)到距進(jìn)風(fēng)順槽3#測站25 m左右時，巷道圍巖應(yīng)力集中開始急劇上升；推進(jìn)到距進(jìn)風(fēng)順槽3#測站20 m左右時， 巷道頂板壓力達(dá)到最大值，之后回落至原始水平。

圖9 9713 進(jìn)風(fēng)圍巖變形量

通過9713 進(jìn)風(fēng)巷道圍巖變形規(guī)律 （見圖9）可以看出，由于進(jìn)風(fēng)順槽靠近實(shí)體煤側(cè)，當(dāng)工作面推進(jìn)到距進(jìn)風(fēng)順槽3#測站30 m 處時， 巷道開始變形；推進(jìn)到距進(jìn)風(fēng)順槽3#測站10～20 m左右，巷道圍巖變形速度達(dá)到最快，頂?shù)装寮皟蓭鸵平俣染_(dá)20 mm/d左右，之后巷道圍巖變形開始下降。

通過以上分析可知：采空區(qū)側(cè)的超前支承壓力影響范圍較實(shí)體煤側(cè)增大，影響范圍最大達(dá)到60～70 m，明顯大于實(shí)體煤側(cè)超前支承壓力影響范圍的20～35 m，而且超前支承壓力大小及增幅也是采空側(cè)大于實(shí)體煤側(cè)，且前者超前支承壓力峰值距離工作面較近。

4 結(jié)語

開元公司9713 綜采工作面為大采高綜采工作面，且回風(fēng)順槽一側(cè)靠近采空區(qū)，對工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律產(chǎn)生較大的影響。

1）受采空側(cè)應(yīng)力影響，回風(fēng)順槽圍巖塑性區(qū)分布范圍、破壞深度、巷道圍巖位移量三者都較實(shí)體煤有明顯增大。

2）采空區(qū)側(cè)的超前支承壓力，無論影響范圍還是壓力大小都較實(shí)體煤側(cè)有較大增加，最大影響范圍達(dá)到60～70 m， 必須將回風(fēng)順槽超前支護(hù)擴(kuò)大至80～100 m范圍，以保證采場的安全生產(chǎn)。

3） 采空區(qū)側(cè)巷道超前支承壓力峰值在15 m左右，非采空側(cè)巷道壓力峰值為18 m左右，必須根據(jù)壓力峰值位置提高支護(hù)質(zhì)量，增強(qiáng)對巷道圍巖的控制。