采煤工作面應力疊加區的頂板管理探索

華 樂 ，劉 峰 ，強 偉 ，張 勇

（1.兗州煤業股份有限公司鮑店煤礦，山東鄒城 273513；2.兗州煤業股份有限公司濟三煤礦，山東 鄒城 272069）

1 工作面概況

工作面可采推進長度1457/1610m，面長103/210m。工作面煤層厚度3.00～3.47m，平均3.29m，埋藏深度-525m，基礎儲量139.5萬t。

工作面位于礦井東南部，西部上方為白馬河。工作面設計停采線位于白馬河西河堤以西346～390 m，工作面切眼位于白馬河東河堤以東929～1061m。地面為塌陷區及河流。103下05綜采面是南翼十采區第五個區段的3下煤工作面。該工作面位于十采區中部，為十采區3下煤層第五個區段的工作面。東起工作面切眼，西至工作面設計停采線，北鄰103下04工作面采空區，南鄰尚未開采的103下06工作面，工作面煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況一覽表

103下05工作面北順槽為運輸順槽，沿103下04工作面采空區布置，中間留設3m隔離煤柱，靠工作面內側布置膠帶輸送機；南順槽為軌道順槽及中間巷，為實體巷道，巷道幾何參數及支護形式見表2：

表2 巷道幾何參數、支護形式及用途一覽表

2 封閉前的頂板管理

工作面上方為103上05和103上06工作面采空區,上分層因設計上的原因留設8米煤柱。103下05工作面受礦井接續影響，工作面于2015年12月份組織封閉，2016年3月份啟封后組織生產，臨時封閉3個月。

2.1 工作面頂板管理

2.1.1上網要求

工作面推進至距臨時停采位置3m時，全面上單層金屬網，金屬網使用1.3×7.8m的菱形網，臨時停采后保證網喝至支架頂梁以里1m，面前全面輔網至底板。

2.1.2頂板錨桿施工

工作面停采后在距離煤壁800mm處施工一排頂板錨桿，錨桿施工在架間，隔兩架施工一根，間距約3m。在肩窩處按照與水平成75°的夾角斜向上施工一排錨桿，錨桿施工在架間，隔兩架施工一根，間距約3m，肩窩錨桿與第一排錨桿錯茬施工。

2.1.3煤壁錨桿施工

煤壁施工2排錨桿，排距自肩窩分別為1m、2m，間距3m，錨桿位置布置在煤壁每個支架中間，呈三花眼布置并與頂部錨桿錯茬施工。施工過程中可根據現場實際情況適當加大支護密度。

2.1.4其它工程質量要求

工作面采高確保3.2±0.1m，工作面支架立柱活柱行程不小于500mm。局域采高過低處，在主頂梁下打點柱的形式預防封閉期間支架被壓死。

工作面支架全部拉超前架，并將插板伸出，打出護幫板，全面無空頂空幫現象。煤壁片幫時采用護幫板打木料的形式護幫。

2.2 順槽頂板管理

2.2.1軌順超前支護頂板管理

軌順采用ZT107000/22/38型順槽超前支架組進行支護，超前維護距離約40m。末號架外側切頂線處至順槽支架后尾采用單體液壓支柱配合一字梁維護頂板，一梁三柱。

2.2.2運順超前支護頂板管理

運順靠轉載機外側沿工作面推進方向使用2排1000×800mm十字頂梁（一梁三柱）進行支護，轉載機里側沿工作面推進方向使用1排1000mm一字梁（一梁三柱）進行支護，金屬頂梁維護段約30m（至破碎機位置），金屬頂梁維護段往外至轉載機頭施工2排走向單體（轉載機里、外側各1排），轉載機頭向外采用在人行道頂板下打1排支柱的方式支護，總維護距離不小于120m。

3 工作面現狀

103下05工作面于2016年3月份組織生產后，軌順超前支護外段出現兩處小型頂板垮落區，且軌順靠外幫側出現鋼帶斷裂、錨桿失效現象。頂板垮落區距工作面約40m，位于上分層煤柱區斜下方，垮落范圍 1.6m×1.6m×0.5m、2.4m×1.2m×0.5m，且附近約20m范圍頂板破碎并伴隨頂板淋水現象。超前支護前頭至頂板垮落區靠外幫連續多處第二根頂部錨桿失效、鋼帶斷裂。巷道變形量顯著增大。工作面示意圖如圖1。

圖1 工作面示意圖

4 原因分析

4.1 超前支撐壓力影響

103下05工作面位于兗州向斜軸部，煤層埋深大，應力集中程度較高，礦震現象比較頻繁，頂板壓力大，易造成局部頂板破碎，受礦震活動影響，超前動壓影響范圍大。

4.2 煤柱應力重新分布影響

工作面上方留設8m煤柱。上方煤柱兩側應力圈之間的巖梁較小，裂隙帶懸臂梁前端下沉后，懸臂梁后端即煤柱上方巖梁也會產生裂隙變形，裂隙帶貫通。由于煤柱寬度較小，煤柱兩側均采空后，煤柱兩側應力交合，緩沉帶的下位巖梁也產生輕微裂隙，緩沉帶變為不發育的裂隙帶，形成一個新的跨度較大的應力供雛形。工作面啟封后，受采動影響煤柱上方的巖梁產生一定程度的裂隙、緩沉帶壓力轉移，應力重新分布，逐步形成新的應力平衡。

4.3 支護質量影響

103下05軌順2014年3月份開始施工，2014年年底施工完畢。根據“三減三提”項目規劃對103下05軌順進行了支護材料優化，3下煤實體順槽減掉了頂部錨桿托盤。2014年全礦均使用小螺帽錨桿，大螺帽錨桿在2015年3月份才開始投入使用。此支護方案在正常組織生產時能夠滿足支護要求，但沒有考慮到臨時封閉后的頂板下沉、壓力集中。

4.4 地質構造影響

冒頂范圍沒有特殊地質構造，但冒頂范圍處由于頂板裂隙發育區，頂板有淋水，圍巖變形，頂板弱化，巖體鉸接程度下降。

4.5 頂板巖性分析

103下05工作面偽頂不發育。直接頂為粉砂巖，泥質膠結,致密較堅硬，層理不明顯，節理較發育,比較破碎,f=4～5，平均厚度2.19m。老頂為粉細砂巖互層,以灰白色細砂巖為主，夾深灰色粉砂巖條帶，成分主要為石英、長石,含少量黑色礦物,泥硅質膠結，致密堅硬，發育緩波狀層理，節理較發育，f=6～7，平均厚度4.7m。

經分析造成頂板垮落原因有：一是頂板垮落區位于超前支撐壓力及上分層煤柱壓力疊加區，應力集中程度高。二是支護強度低，頂部錨桿減少拖盤在工作面正常生產期間能夠滿足支護要求，但受礦井接續影響，工作面組織了臨時封閉，啟封后受采動影響，造成工作面壓力集中。三是頂板垮落范圍頂板裂隙發育，受頂板淋水影響，頂板相對弱化。應力疊加示意圖如圖2。

圖2 應力疊加區示意圖

5 分段、分時支護方案

5.1 垮落區頂板維護

采用木料接頂，下全斷面工字鋼棚維護頂板，一梁四柱，維護范圍20m。由于冒落的拱高不超過1m，跨度較小，而且頂板巖石不繼續冒落。首先在冒頂區兩側架設掩護棚，采用長料搭在冒頂兩頭完好的棚架上，然后在涼棚的掩護下進行出矸、架棚等操作。架完棚以后，再在涼棚上用木料把頂接實。

5.2 垮落區兩側頂板維護

在原有支護基礎上巷道兩側各10米采用敷設兩路走向鋼帶，補打錨索加強支護。距離煤壁0.5m采用GDⅡT 140/20Q/YZK 034型鋼帶沿巷道走向敷設，鋼帶抄手連接。錨索采用規格為Φ22×7000mm的錨索，間距3m,錨索預緊力6～8t,鉆孔直徑30mm，采用兩支MSCK23/70Q/YZK 033樹脂藥卷錨固。錨索托盤：采用220mm×220mm×20mm平托盤。

5.3 原始巷道支護方案

將壓力區域劃分為三個區域：Ⅰ區為頂板應力疊加區約20m；Ⅱ區為頂板應力疊加區外10m；Ⅲ區為壓力區附近煤幫。根據工程實踐及計算機數值模擬分析，確定如下指標：

Ⅰ區——應力疊加區頂板離層值，20mm；

Ⅱ區——應力疊加區外10m范圍頂板離層值，30mm；

Ⅲ區——兩幫相對移進量，100mm。

若上述指標超過規定值，應及時調整支護形式。Ⅰ區增加錨索數量，錨索呈五花眼布置。第一排布置兩根錨索，第二排布置一根錨索，第三排布置兩根錨索，以此類推。并在布置一排錨索的鋼帶下支設兩棵單體液壓支柱。Ⅱ區每隔一排增加兩根錨索，并在未增加錨索的鋼帶下施工一棵單體液壓支柱。Ⅲ區每排增加一根錨桿。

為提高支護效果、有效控制巷道變形，在原有支護的基礎上增加錨索并加設點柱。通過錨桿、錨索主動支護加上剛性支護共同作用，形成一個多層次支撐拱，以達到有效控制巷道變形的目的。支護示意圖如圖3。

圖3 支護示意圖

6 效果監測

分別在應力疊加區及應力疊加區外前后10米內各布置兩個測點，每天對頂底板移進量和兩幫移進量進行監測。觀測數據見表3、表4、表5、表6：

表3 應力疊加區內測點1（工作面方向）

表4 應力疊加區內測點2（停采線方向）

表5 應力疊加區外測點1（工作面方向）

表6 應力疊加區外測點2（停采線方向）

通過上面數據可以看出，通過加強支護頂板下沉量及兩幫移進量都得到了有效控制。

7 經濟效益和社會效益

避免了工作面順槽因應力疊加造成回采期間的頂板管理困難，實現了采煤工作面特殊條件下的安全快速回采。工作面月推進度240m,超預期計劃40m。經濟效益：

8 結 語

通過分段、分時支護可有效控制工作面壓力疊加區的巷道變形量，減少煤柱應力“鐘”形分布與超前支撐應力疊加對巷道造成的破壞。巷道圍巖的變形和塑性區的控制效果明顯，確保了巷道的整體穩定性，可以滿足生產需要。