沖擊危險性工作面巷道失穩原因及超前支護研究

宋振江 王海博

（陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 咸陽 713500）

具有沖擊危險性的綜放工作面超前支護段受回采擾動，其支承壓力一般為原巖應力的2～4 倍，更易產生巷道失穩現象[1]。40207 運輸順槽具有沖擊危險性，維護巷道穩定是安全生產首要考慮的問題。

1 工程背景

1.1 工程概況

40207 工作面開采4#煤，埋深780 m，厚度為17～35 m。工作面南北兩側分別是40209 和40205綜放工作面，西側緊鄰邊界保護煤柱，東側為大巷保護煤柱。40207 運輸順槽位于煤層中部，全長2.2 km，巷寬5.8 m，巷高3.5 m，矩形巷道，采用錨索網聯合支護方式。巷道頂板巖性表見表1。

表1 巷道頂底板巖性

1.2 工程問題

4#煤厚17～35 m，40207 運輸順槽位于煤層中部，埋深780 m，巷道四周均為質地較軟的實體煤，基本頂為厚度13～14 m 的堅硬巖層。地應力高，煤體內部應變能較大，有潛在的沖擊礦壓風險，巷道易產生片幫、底鼓等失穩現象。

2 沖擊傾向性巷道失穩原因分析

根據工程背景及工程問題，通過對40207 工作面應力分布進行分析確定巷道失穩原因。工作面應力分布圖如圖1。

圖1 工作面應力分布圖

（1）采煤工作面煤壁一端支撐著工作面上方裂隙帶及其上覆巖層的大部分重量，即圖1 中的Ⅰ區域。Ⅰ區域支承壓力遠大于Ⅲ區域支承壓力，最大值發生在BⅠ區域，峰值達到原巖應力的2～4 倍，即應力集中系數K∈（2，4）。應力集中系數過高會對巷道支護結構產生影響，加速巷道變形，且應力會通過幫部傳遞到底板，會誘發底板底鼓現象。

（2）B 區域內支承壓力峰值區域可深入煤體2～10 m，影響范圍可達Ⅰ區域向后90～100 m。由于回采工作面的推進，Ⅰ區域上方的支承壓力隨著推進移動，兩巷長期受到周期來壓的影響。在回采期間，因高集中靜載和劇烈動載的疊加擾動，有可能發生沖擊礦壓，對巷道支護產生影響，致使巷道失穩[2]。

綜上所述，沖擊礦壓和超前支承壓力是影響40207 運輸順槽失穩的兩個主要因素。

3 超前支護

由前文可知，回風順槽超前支護段長度L=150 m。根據經驗公式，計算超前支護段總載荷，確定主動支護能力以及超前支護阻力是否滿足超前段的總載荷[3]。

計算超前段頂板總載荷F，見式（1）：

式中：H為巷高，取3.5 m；B為巷寬，取5.8 m；D為埋深，取780 m；γ為巖層容重，取25 kN/m3；φ為內摩擦角，取45°；C為黏結系數，取4。經式（1）計算得出F=198 147 kN。

3.1 巷道主動支護能力核定

由工程概況可知，巷道采用錨索網支護，考慮到沖擊礦壓會使巷道主動支護能力產生損耗，所以在計算主動支護阻力時需乘以支護效率。運輸順槽頂板支護參數見表2。

表2 運輸順槽主動支護參數

計算超前支護段（150 m）錨桿以及錨索提供的支護阻力，見式（2）：

式中：Fz為主動支護提供的阻力。經式（2）計算得出回風順槽Fz=240 750 kN，滿足超前段支護需要。

3.2 超前防沖液壓支架參數確定

為降低沖擊礦壓和超前支承壓力對40207 運輸順槽失穩產生的影響，根據《煤礦安全規程》以及上述分析確定超前支護段支護距離為L=150 m。對峰值區域范圍（0～10 m）內應加強超前支護能力，選用高阻力超前防沖液壓支架；對超前支承壓力影響范圍（10～140 m）選用超前防沖液壓支架，如圖2。

圖2 超前防沖液壓支架

在沖擊礦壓發生期間，防沖液壓支架可以通過自身吸能裝置，降低承受載荷，確保支架在沖擊作用下的正常支護。

超前防沖液壓支架最小載荷應大于超前支護段單位載荷，計算超前支護段單位載荷（P），見式（3）：

經 式（3） 計 算 得 出P=227 kN/m2=0.227 MPa。經綜合考慮，選用支護強度為0.47 MPa 的ZQL2×3200/19/3 防沖超前液壓支架[4]。

4 工業性試驗

4.1 超前支護現場

根據上述結果，結合工作面背景綜合考慮，確定40207 回風順槽超前支護方案為：采用39 臺超前防沖液壓支架，其中采用2 臺ZQL2×3200/19/38六柱超前防沖液壓支架支護10 m（支承壓力峰值區域）、35 臺ZQL2×3200/19/38 中部防沖液壓支架配合2 臺ZQL2×3200/19/38 防沖液壓支架（帶絞車）支護140 m（支承壓力影響范圍）。

4.2 現場監測

距切眼150 m 處布置一個觀測站，分別監測頂板下沉量、兩幫移近量（3 個測點，分別位于巷道頂板中部、兩幫距離底板1.5 m 處）。工作面每向前推進10 m 測一次，共測15 次。監測結果如圖3。

圖3 運輸順槽圍巖變形監測

由圖3 可知，隨著工作面回采推進，與測點距離越近巷道變形量逐漸增加，頂底板移近量48 mm，兩幫移近量43 mm。頂底板以及兩幫移近量都控制在50 mm 以內，控制效果良好，滿足工作面安全生產的需要。

5 結論

（1）沖擊礦壓和超前支承壓力是影響40207運輸順槽穩定性的兩個主要因素。

（2）確定40207 回風順槽超前支護區域為150 m，選擇采用超前防沖擊液壓支架支護巷道。通過計算得出超前支護段150 m 總載荷，核算超前支護段主動支護能力，確定超前防沖液壓支架支護阻力，選取阻力為0.47 MPa 的ZQL2×3200/19/3 超前防沖液壓支架支護巷道。

（3）經現場驗證，巷道頂底板移近量為48 mm，兩幫移近量為43 mm，滿足40207 運輸順槽維穩需求，確保工作面安全生產。