強烈動壓條件下巷道支護技術(shù)研究與應用

劉 澤

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦， 山西 古交 030205）

馬蘭礦近年來隨著產(chǎn)能增加，礦井采掘接續(xù)緊張格局日益突出，回采工作面順槽掘進期間就遭遇相鄰工作面回采動壓的影響，巷道支護難度極大，且此類巷道所占比例很高。例舉實例說明，南一下組煤采區(qū)18303 工作面皮帶巷，掘進期間受到相鄰18305 工作面回采采動作用，巷道經(jīng)歷強烈動壓擾動，圍巖變形大，斷面收縮嚴重，無法滿足回采使用，經(jīng)過反復維修才勉強推過。由于馬蘭礦南七采區(qū)10702 工作面和10704 工作面為相鄰工作面，當10702 工作面回采時，將會對10704 工作面軌道順槽掘進產(chǎn)生較大動壓影響，若巷道的支護方式與巷道實際情況不匹配時，將會出現(xiàn)巷道頂板圍巖破碎、底鼓、片幫等嚴重變形問題，當產(chǎn)生這些問題時需要被迫投入大量人力物力去維護巷道的完整性，因此從馬蘭礦10704 軌道的實際情況出發(fā)，有必要對該巷道的支護方式進行詳細研究。

1 地質(zhì)概況

10704 工作面，位置處于大罷溝東部，孫家坡南部，宋家坡溝西部，張山圪垛北部。地表出露斷層以N2、Q2＋3、P2s2 為主，蓋山厚度401～468 m，平均428 m。井下位于南七采區(qū)左翼，切眼東北側(cè)為10313、10315、12313、12315 采空區(qū)，距10313 采空區(qū)最小間距36 m；軌道巷西北側(cè)間隔20 m 煤柱為10702 工作面正在回采。

2 動壓巷道受力與變形特征分析

2.1 動壓誘因分析

對于工作面采用傾斜長臂采煤法，當煤體未被開挖時，煤巖體處于原巖應力狀態(tài)，當煤體被開挖后，原巖應力狀態(tài)被破壞，應力重新分布，直至重新達到應力平衡，當工作面采空區(qū)頂板采用自由垮落法處理時，導致采空區(qū)上部頂板圍巖重量向附近煤體擴散，從而在工作面采空區(qū)周邊區(qū)域形成超前支承壓力帶，及在工作面前方、側(cè)方和后方分別形成超前動態(tài)支撐壓力，側(cè)向支承壓力和殘余支承壓力[1]。隨著工作面的不斷開采，這三種支撐壓力逐漸向工作面周邊轉(zhuǎn)移和擴散對臨近工作面產(chǎn)生擾動，這是形成動壓影響的主要原因，當工作面回采時會在煤柱上方產(chǎn)生較大的支承壓力，這種支承壓力會使煤體發(fā)生屈服和變形，最終導致煤體發(fā)生冒頂、底鼓和片幫等現(xiàn)象。

2.2 動壓巷道應力特征分析

由于馬蘭礦南七采區(qū)10702 工作面和10704 工作面為相鄰工作面，這兩個工作面煤柱間隔寬度20 m，當10702 工作面回采時，將會對10704 工作面軌道順槽掘進產(chǎn)生較大動壓影響，通過分析發(fā)現(xiàn)，10704 軌道順槽動壓影響的主要來源是相鄰10702工作面回采過程中對煤柱所產(chǎn)生的動態(tài)支承壓力作用[3]，采用有限元模擬軟件FLAC3D 對10704 面軌道巷掘進期間巷道圍巖的變形情況進行數(shù)值模擬，得出軌道順槽的圍巖變形特征，從而為優(yōu)化10704軌道上的支護方式提供理論依據(jù)，本次數(shù)值模擬的核心為分析10702 面回采與10704 面掘進兩者之間的距離關系，從兩者相距較遠或互不影響到相距極近或影響嚴重，最后兩者又逐漸變遠影響減弱的這三個過程進行模擬。

模擬計算從10702 面開切眼位置開始，推進到15 m 位置時，假設10704 面軌道巷掘進到距其切眼位置75 m。10702 面工作面前方超前支承壓力分布特征（見圖1）。

圖1 工作面回采15 m 時超前支承壓力分布曲線

當10702 工作面開始回采至15 m 時，從圖1 中可以很直觀的看出10702 工作面的超前支承壓力分布情況，當峰值點與煤壁之間的距離約為6.5 m 時，超前支承壓力為20 MPa，也可以得出應力集中系數(shù)為2.56，隨著工作面推進，超前支承壓力逐漸變小。當距離煤壁50 m 時，超前支承壓力等于初始壓力，從而可以判定超前影響范圍約為50 m。

兩工作面相遇錯開60 m，煤柱及一側(cè)巷道應力分布曲線見圖2。

圖2 煤柱及一側(cè)巷道應力分布曲線

由于10702 工作面持續(xù)向前回采，此時10704工作面軌道產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，從而與10702 工作面之間的距離逐漸變大。當兩者工作面間隔達到60 m時，煤柱的采空側(cè)應力峰值增大到40.1 MPa，此時10704 軌道巷左側(cè)應力峰值增大到15.9 MPa，受到臨近工作面采動作用的影響應力集中系數(shù)上升到2.03，由此說明在相鄰工作面不斷推進的過程中，尤其相遇之后，煤柱的采空側(cè)巖層一直處于動態(tài)變化加劇的過程，臨近的軌道巷也受到影響產(chǎn)生突發(fā)的應力增大現(xiàn)象。

上述類型巷道在開始掘進時并不會受到臨近工作面回采作用的影響，當與相鄰工作面回采相遇錯開之后，由于產(chǎn)生滯后開始受到臨近工作面回采動壓的影響。此時臨近工作面采空區(qū)上覆巖層形成結(jié)構(gòu)動態(tài)變化明顯，巷道開始應力集中持續(xù)增大，巷道圍巖變形不斷發(fā)生，且長時間處于增長趨勢。隨著采空區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，巷道變形呈平穩(wěn)狀態(tài)，但達到這個階段需要較長時間，因其受到眾多復雜因素，沒有確切和固定的時間表，設計巷道支護形式與參數(shù)，這是最為重要的考慮因素。

3 巷道支護方式

南七采區(qū)10704 工作面軌道巷掘進斷面為寬4.5 m，高2.5 m，面積為11.25 m2的矩形。采用高預應力樹脂全長錨固錨桿錨索組合支護，使巷道沿02 號煤層跟頂跟底掘進。頂板使用“Φ22 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿加W 鋼帶加錨索加金屬菱形網(wǎng)”聯(lián)合支護方式，錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm；每排2 根錨索且間距2.0 m，排距2.0 m；頂錨索采用19 股直徑為Φ22 mm，長5.3 m 的高強度低松弛預應力鋼絞線；兩幫使用“三排Φ22 mm×2 400 mm 螺紋鋼錨桿加W 托盤加錨索加金屬菱形網(wǎng)”聯(lián)合支護方式，錨桿間排距800 mm×1 000 mm，距頂板0.4 m 處按矩形裝置上排幫錨桿（見圖3）。

圖3 巷道支護方式（mm）

通過采取該支護方式，南七采區(qū)10704 軌道巷掘進期間，未出現(xiàn)過大的巷道變形，同時頂板下沉量并不大。而且從總體來看，巷道的變形量主要集中在掘進工作面50 m 范圍內(nèi)，超過此范圍，巷道的變形量趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1）通過分析相鄰工作面造成動壓影響的主要原因是由超前動態(tài)支撐壓力，側(cè)向支承壓力和殘余支承壓力三種支撐壓力逐漸向工作面周邊轉(zhuǎn)移和擴散對臨近工作面產(chǎn)生擾動。

2）通過從兩者相距較遠或互不影響到相距極近或影響嚴重，最后兩者又逐漸變遠影響減弱的這三個過程進行模擬，研究表明超前影響范圍約為50 m。