沖擊危險性工作面巷道失穩(wěn)原因及超前支護研究

宋振江 王海博

（陜西彬長小莊礦業(yè)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(chǎn)生巷道失穩(wěn)現(xiàn)象[1]。40207 運輸順槽具有沖擊危險性，維護巷道穩(wěn)定是安全生產(chǎn)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(cè)分別是40209 和40205綜放工作面，西側(cè)緊鄰邊界保護煤柱，東側(cè)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(wǎng)聯(lián)合支護方式。巷道頂板巖性表見表1。

表1 巷道頂?shù)装鍘r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(zhì)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(nèi)部應變能較大，有潛在的沖擊礦壓風險，巷道易產(chǎn)生片幫、底鼓等失穩(wěn)現(xiàn)象。

2 沖擊傾向性巷道失穩(wěn)原因分析

根據(jù)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(wěn)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(qū)域。Ⅰ區(qū)域支承壓力遠大于Ⅲ區(qū)域支承壓力，最大值發(fā)生在BⅠ區(qū)域，峰值達到原巖應力的2～4 倍，即應力集中系數(shù)K∈（2，4）。應力集中系數(shù)過高會對巷道支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(fā)底板底鼓現(xiàn)象。

（2）B 區(qū)域內(nèi)支承壓力峰值區(qū)域可深入煤體2～10 m，影響范圍可達Ⅰ區(qū)域向后90～100 m。由于回采工作面的推進，Ⅰ區(qū)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(fā)生沖擊礦壓，對巷道支護產(chǎn)生影響，致使巷道失穩(wěn)[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(wěn)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(jù)經(jīng)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(nèi)摩擦角，取45°；C為黏結(jié)系數(shù)，取4。經(jīng)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(wǎng)支護，考慮到?jīng)_擊礦壓會使巷道主動支護能力產(chǎn)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(shù)見表2。

表2 運輸順槽主動支護參數(shù)

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(jīng)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(shù)確定

為降低沖擊礦壓和超前支承壓力對40207 運輸順槽失穩(wěn)產(chǎn)生的影響，根據(jù)《煤礦安全規(guī)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(qū)域范圍（0～10 m）內(nèi)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(fā)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(jīng) 式（3） 計 算 得 出P=227 kN/m2=0.227 MPa。經(jīng)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(yè)性試驗

4.1 超前支護現(xiàn)場

根據(jù)上述結(jié)果，結(jié)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(qū)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(xiàn)場監(jiān)測

距切眼150 m 處布置一個觀測站，分別監(jiān)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(jiān)測結(jié)果如圖3。

圖3 運輸順槽圍巖變形監(jiān)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?shù)装逡平?8 mm，兩幫移近量43 mm。頂?shù)装逡约皟蓭鸵平慷伎刂圃?0 mm 以內(nèi)，控制效果良好，滿足工作面安全生產(chǎn)的需要。

5 結(jié)論

（1）沖擊礦壓和超前支承壓力是影響40207運輸順槽穩(wěn)定性的兩個主要因素。

（2）確定40207 回風順槽超前支護區(qū)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(jīng)現(xiàn)場驗證，巷道頂?shù)装逡平繛?8 mm，兩幫移近量為43 mm，滿足40207 運輸順槽維穩(wěn)需求，確保工作面安全生產(chǎn)。