101綜放面順槽支護(hù)設(shè)計(jì)及效果考察

王路飛

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)， 山西 靈石 031300）

1 工程概況

某礦101綜放面為礦區(qū)南翼101盤區(qū)首采區(qū)，回采煤層為2號(hào)煤層，傾角1～12°，平均為6°，走向長(zhǎng)度200 m，傾斜長(zhǎng)度2 600 m。煤層埋深為410～550 m，平均為450 m，煤層平均厚度9.0 m，機(jī)采高度3.5 m，放煤高度5.5 m。

該礦101綜放面順槽原有支護(hù)效果較差，頂板局部時(shí)常發(fā)生局部冒頂，煤壁片幫嚴(yán)重，給工作面正常生產(chǎn)帶來(lái)極大不便，嚴(yán)重威脅礦工生命安全。選擇合適的支護(hù)方式應(yīng)該滿足具體環(huán)境下的支護(hù)要求，因此在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)綜放面順槽圍巖控制支護(hù)方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，選擇錨桿錨索+錨網(wǎng)+U型鋼支架支護(hù)方式，改變順槽受力狀況，使之在服務(wù)期限內(nèi)保持穩(wěn)定。

2 工作面順槽支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

由現(xiàn)場(chǎng)錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)可知，直徑20 mm的錨桿屈服荷載為65～80 kN。本文錨桿設(shè)計(jì)荷載選為50 kN，則每排錨桿的根數(shù)為3.93，考慮到回采時(shí)對(duì)工作面順槽影響較大，因此選取6根頂錨桿；錨固長(zhǎng)度為400 mm；頂錨桿長(zhǎng)度為2 200 mm[1]。

結(jié)合圍巖破壞規(guī)律、巷道斷面尺寸以及巷道變形、圍巖松動(dòng)圈范圍等實(shí)際情況，分別用這三種理論公式對(duì)101綜放面順槽支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，頂錨桿選取20 mm×2 200 mm左旋無(wú)縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，錨桿間排距700 mm×700 mm，錨固長(zhǎng)度取500 mm，幫錨桿選取20 mm×2 000 mm左旋無(wú)縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距和錨固長(zhǎng)度均與頂錨桿一致。并且充分考慮101綜放面順槽地質(zhì)條件、回采工藝及礦壓顯現(xiàn)情況，根據(jù)工程類比法總結(jié)類似條件工程經(jīng)驗(yàn)，積極對(duì)順槽圍巖應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法對(duì)101綜放面順槽支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 工作面順槽礦壓監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)方案

本文結(jié)合礦井破碎頂板工作面順槽錨網(wǎng)索支護(hù)工程現(xiàn)狀，根據(jù)觀測(cè)內(nèi)容，設(shè)計(jì)兩個(gè)觀測(cè)測(cè)區(qū)，分別對(duì)應(yīng)觀測(cè)工作面順槽圍巖變形及順槽煤柱內(nèi)應(yīng)力分布情況。

3.1.1 順槽煤柱應(yīng)力測(cè)區(qū)

在101綜放面與102工作面之問(wèn)的順槽煤柱內(nèi)，距開(kāi)切眼50 m位置處布置了一組測(cè)點(diǎn)，在順槽煤柱內(nèi)每隔1 m布置一個(gè)應(yīng)力計(jì)，鉆孔直徑42 mm，在鉆孔孔底安裝應(yīng)力測(cè)力計(jì)進(jìn)行觀測(cè)。

3.1.2 工作面順槽變形觀測(cè)測(cè)區(qū)

在101綜放面運(yùn)輸順槽內(nèi)布置巷道變形觀測(cè)斷面，共布置5個(gè)斷面，監(jiān)測(cè)距開(kāi)切眼30～70 m工作面順槽頂?shù)装濉蓭偷淖冃吻闆r。在斷面內(nèi)布置頂板、兩幫位移觀測(cè)測(cè)點(diǎn)。

3.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 工作面順槽變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

綜放面超前支護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用礦用單體數(shù)字壓力循環(huán)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)煤礦井下單體液壓支柱的工作阻力，根據(jù)測(cè)取的數(shù)據(jù)判斷工作面前方支承壓力影響范圍。在101綜放面兩順槽分別超前40 m及60 m內(nèi)，采集超前單體液壓支柱工作阻力。監(jiān)測(cè)的單體支柱均布置在頂?shù)装遢^完整、直線型支設(shè)。

根據(jù)觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果可根據(jù)下頁(yè)圖1得出以下結(jié)論[2-3]：

1）單體支柱載荷隨工作面距離不斷減小而呈上升趨勢(shì)；工作面前方30～60 m范圍內(nèi)，載荷浮動(dòng)較小，單體支柱載荷在10 MPa左右。

2）單體柱載荷在工作面前方20 m處達(dá)到最大值，運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽分別為17.8 MPa和18.6 MPa；由觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，超前支承壓力的影響范圍在工作面前方50 m范圍內(nèi)。

圖1 101綜放面順槽支柱載荷曲線圖

3）原巖應(yīng)力為10 MPa，兩順槽超前支承壓力峰值分別為17.8 MPa和18.6 MPa，則其應(yīng)力集中系數(shù)平均為1.82。

在工作面超前順槽中布置有3個(gè)巷道變形觀測(cè)斷面，分別實(shí)測(cè)距工作面不同位置順槽巷道的工作面回采時(shí)巷道表面收斂、頂板離層及錨桿(索)受力等情況變化關(guān)系。順槽變形情況如圖2所示。

圖2 工作面順槽表面收斂情況

由工作面運(yùn)輸順槽斷面收斂量變化規(guī)律可以看出，工作面順槽在觀測(cè)期間頂板最大沉降量及兩幫收斂量均在距離工作面25 m處，在距離工作面25～50 m范圍內(nèi)，隨著遠(yuǎn)離工作面頂板下沉量及兩幫收斂量逐漸減小。頂板下沉量最大為143 mm，與頂板離層數(shù)據(jù)基本吻合，兩幫收斂量最大值為95 mm，頂板下沉量大于兩幫收斂量，幫部相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面50 m后順槽巷道收斂變形速率逐漸變小，頂板下沉及兩幫收斂量均變化較小，在距回采工作面60 m以外時(shí)頂板下沉量和兩幫收斂量變化基本處于穩(wěn)定，因此采動(dòng)對(duì)工作面順槽幾乎沒(méi)有影響，工作面順槽處于無(wú)擾動(dòng)階段。在距離工作面大約25 m范圍內(nèi)，因101綜放面運(yùn)輸順槽超前單體支柱及破碎機(jī)影響導(dǎo)致無(wú)法觀測(cè)[4-5]。

由圖3可知雖然各監(jiān)測(cè)區(qū)域段都有不同程度的離層，但101綜放面運(yùn)輸順槽頂板離層主要集中在6 m以下，5 m以下頂板離層量為120 mm，0～3 m區(qū)段頂板離層量為80 mm，6 m以上頂板離層量相對(duì)較小，深部圍巖范圍內(nèi)錨索加固效果顯著。頂板離層量累計(jì)達(dá)到143 mm，相比原支護(hù)方案頂板離層量小很多，并且工作面順槽從變形到穩(wěn)定速率快，在無(wú)采動(dòng)影響下后期蛹變較小。該種支護(hù)方案滿足工作面回采期間的支護(hù)要求。

圖3 頂板上部不同位置離層位移量

由圖4分析2號(hào)煤工作面順槽斷面錨桿（索）受力情況可知，錨桿（索）受力保持不變，隨著回采工作面向前推進(jìn)，受采動(dòng)影響，受力開(kāi)支逐漸增大。頂板錨桿受力較大，最大值為140 kN，左幫錨桿受力大于右?guī)湾^桿，說(shuō)明受到工作面回采支承壓力的影響，工作面順槽左幫受力較大，有發(fā)生片幫的危險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及時(shí)對(duì)左幫加強(qiáng)支護(hù)。

圖4 錨桿（索）測(cè)力計(jì)載荷變化

綜上所述，得到以下結(jié)論：

1）在距回采工作面較遠(yuǎn)時(shí)單體支柱受力基本沒(méi)有變化，當(dāng)距離回采工作面55 m時(shí)受力逐漸增大，說(shuō)明在距離回采工作面55 m時(shí)開(kāi)始受到采動(dòng)的影響。

2）在距回采工作面60 m之外順槽頂板下沉量和兩幫位移量都較小，可以認(rèn)為未受到采動(dòng)影響，工作面順槽處于穩(wěn)定階段，無(wú)需進(jìn)行加強(qiáng)之護(hù)。

3）在距回采工作面53 m以外時(shí)，巷道錨桿（索）變化不大，而當(dāng)在距回采工作面53 m以內(nèi)范圍時(shí)，左幫錨桿受力開(kāi)始增大并且大于右?guī)湾^桿受力，表明左幫受到101綜放面采動(dòng)的影響較大；而順槽頂板錨索的壓力值變化不大，這說(shuō)明頂板支護(hù)較好。

3.2.2 順槽煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

以測(cè)點(diǎn)距工作面順槽幫部的距離為橫坐標(biāo)，以順槽煤柱側(cè)向支承應(yīng)力值為縱坐標(biāo)，煤柱內(nèi)不同位置支承壓力曲線如下頁(yè)圖5所示，從煤柱內(nèi)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化可以反映出在采動(dòng)影響下煤柱的連續(xù)性與穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖5可以看出工作面順槽煤柱上側(cè)向支承壓力峰值為15.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.58，可以看出側(cè)向支承壓力應(yīng)力集中系數(shù)比工作面超前支撐壓力低，影響范圍亦較之小。目前留設(shè)25 m護(hù)巷煤柱是不能滿足綜放回采頂板來(lái)壓強(qiáng)度的，因?yàn)楣ぷ髅骓槻勖褐С袎毫Ψ€(wěn)定區(qū)在18 m之外，要想保證順槽煤柱的穩(wěn)定性必須留設(shè)足夠?qū)挾鹊拿褐仨毐ＷC煤柱中部具有一定的彈性區(qū)。這也正好解釋了101綜放面順槽頂板支護(hù)困難，經(jīng)常發(fā)生片幫和底鼓的原因，嚴(yán)重影響到工作面正常回采。因此應(yīng)適當(dāng)增大煤柱尺寸[6]。

圖5 工作面?zhèn)认蛑С袎毫η€

4 結(jié)論

1）確定了101綜放面順槽支護(hù)的重點(diǎn)應(yīng)集中在以下幾方面。強(qiáng)化初期支護(hù)強(qiáng)度，減小順槽圍巖變形；加強(qiáng)順槽幫角支護(hù)；及時(shí)加固破碎區(qū)，提高錨桿預(yù)緊力；在聯(lián)合支護(hù)的基礎(chǔ)上，在101綜放面前方采取超前支護(hù)。

2）通過(guò)理論計(jì)算出錨桿的支護(hù)參數(shù)：頂錨桿采用Φ20 mm×2 200 mm，幫錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿排間距700 mm×700 mm。

3）根據(jù)現(xiàn)有順槽支護(hù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了“卸壓+加強(qiáng)支護(hù)+讓壓”的支護(hù)原則，通過(guò)卸壓+加強(qiáng)支護(hù)+讓壓耦合支護(hù)保證工作面回采期間順槽的穩(wěn)定安全。

4）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)101綜放面運(yùn)輸順槽回采期間圍巖表面位移結(jié)果表明：在順槽煤柱留設(shè)37 m時(shí)，采用錨索錨桿聯(lián)合支護(hù)方案下，在距工作面25 m處觀測(cè)到工作面順槽頂板最大下沉量為143 mm，兩幫最大移近量≤95 mm，順槽圍巖處于采動(dòng)影響可控范圍。表面位移觀測(cè)結(jié)果表明，煤柱尺寸及支護(hù)方案設(shè)計(jì)均達(dá)到了預(yù)定效果。

5）通過(guò)分析工作面順槽斷面錨桿（索）受力數(shù)據(jù)可知，隨著回采工作面向前推進(jìn)，頂錨桿受力較大，最大值為140 kN，左幫錨桿受力大于右?guī)湾^桿，說(shuō)明受工作面回采支承壓力的影響，順槽左幫受力較大，煤壁發(fā)生片幫危險(xiǎn)性較大，應(yīng)對(duì)左幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

6）順槽煤柱鉆孔應(yīng)力計(jì)實(shí)測(cè)結(jié)果表明：留設(shè)37 m順槽煤柱，隨著工作面向前推進(jìn)，順槽煤柱和工作面順槽圍巖塑性破壞范圍及變形量逐漸增大，采動(dòng)影響下順槽煤柱和工作面順槽圍巖變形能夠控制在合理范圍內(nèi)，滿足正常生產(chǎn)要求，順槽煤柱能夠保持穩(wěn)定。