王云芳，郭臨明

(1.霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電有限公司店坪煤礦, 山西 呂梁 033102;2.霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電有限公司, 山西 呂梁 033102)

沿空留巷可以提高煤炭資源采出率和礦井服務(wù)年限，緩和礦井生產(chǎn)接替的矛盾，減少了工作面綜合機(jī)械化設(shè)備的搬運(yùn)和安裝時間，有效預(yù)防采空區(qū)煤層自燃的發(fā)生。管學(xué)茂等[1]等認(rèn)為沿空巷道頂板下沉速度在工作面后一個來壓步距位置處最為強(qiáng)烈，圍巖活動劇烈。李化敏等[2]認(rèn)為采空區(qū)側(cè)的頂板下沉量比煤幫處大一倍左右，沿空留巷的頂板下沉量隨巷道寬度和懸頂距的增大呈正比增長。蔣金泉等[3]認(rèn)為直接頂冒落填滿采空區(qū)，基本頂能夠處于平衡狀態(tài)，從而有利于沿空留巷的維護(hù)。楊永杰[4]提出足夠的支架阻力能避免直接頂嚴(yán)重破裂，并使其與頂板不產(chǎn)生較大的離層。高玉兵等[5]為解決厚煤層切頂卸壓自動成巷碎石幫控制難題，通過建立動力學(xué)模型，探索成巷過程中矸體沖擊效應(yīng)，提出了動壓防沖、緩壓讓位和恒壓穩(wěn)控的多層次控制思路；湯建泉等[6]通過數(shù)值模擬計算及現(xiàn)場實(shí)測，研究了切頂卸壓無煤柱自動成巷技術(shù)成巷段巷道圍巖支承壓力分布及圍巖變形規(guī)律；王建文等[7]提出增大臨時支護(hù)距離、加強(qiáng)主動支護(hù)強(qiáng)度、優(yōu)化切頂卸壓頂板切縫參數(shù)有利于頂板管理；蔡峰[8]提出了雙向聚能爆破有利于堅硬頂板卸壓且隨著切頂高度的增加，其切頂卸壓效果更為明顯。

本文通過對頂板及其支護(hù)壓力和頂板位移變化情況的長期監(jiān)測，分析工作面支架和門式支架壓力、恒阻錨索受力和采空區(qū)矸石側(cè)向壓力狀態(tài)，研究頂板下沉量、離層的變化規(guī)律，從而優(yōu)化類似地質(zhì)條件的切頂留巷支護(hù)技術(shù)。

1 切頂留巷基本情況

1.1 工作面基本條件

店坪煤礦202工作面位于830水平二采區(qū)左翼，北與200工作面相鄰(已回采結(jié)束)，南為204工作面(圖1). 開采5號煤層，平均煤厚3.1 m，傾角4°；偽頂砂質(zhì)泥巖，厚度0.7 m；直接頂砂巖，厚度6.1 m；基本頂砂質(zhì)泥巖，厚度2.1 m. 工作面埋深225～360 m，走向長度1 200 m，傾向長度220 m.

1.2 留巷段支護(hù)方式

根據(jù)礦壓顯現(xiàn)及留巷功能需要，將留巷支護(hù)劃分為3個區(qū)：超前支護(hù)區(qū)、臨時支護(hù)區(qū)和成巷穩(wěn)定區(qū)。超前支護(hù)區(qū)采用單體液壓支柱+π梁聯(lián)合進(jìn)行超前支護(hù)，1梁4柱、排距1 m；臨時支護(hù)區(qū)采用自循環(huán)式門式液壓支架、單體液壓支柱+U型鋼可縮支架聯(lián)合支護(hù)，門式支架排距1.5 m，采空區(qū)側(cè)切縫線單體支柱間距500 mm，U型鋼可縮支架間距500 mm，單體支柱與可縮支架間距250 mm；成巷穩(wěn)定區(qū)撤除自循環(huán)式門式液壓支架及單體液壓支柱，保留U型可縮支架及鋼筋網(wǎng)進(jìn)行擋矸。

1.3 聚能爆破切頂卸壓參數(shù)

為保證煤巷頂板切縫貫通效果與施工便利，采用雙向聚能爆破技術(shù)實(shí)現(xiàn)對頂板的定向垮落。預(yù)裂爆破孔與鉛垂方向夾角為15°，炮孔d48 mm、孔間距為500 mm、孔深9 000 mm. 雙向聚能管外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，管長1 500 mm. 單孔最佳裝藥量為3.2 kg，藥卷規(guī)格為d27 mm×300 mm、質(zhì)量200 g/卷，每孔5根聚能管，封泥長度為2.25 m.

1.4 礦壓監(jiān)測內(nèi)容及其位置布置

留巷段的礦壓監(jiān)測主要包括位移和壓力監(jiān)測，監(jiān)測地點(diǎn)主要位于留巷段和回采工作面。位移監(jiān)測主要包括留巷段的頂?shù)装逡平?、錨桿支護(hù)巷道頂板的離層值，壓力監(jiān)測包括恒阻大變形錨索應(yīng)力、回采工作面支架壓力、煤巷門式支架和采空區(qū)側(cè)向壓力，各監(jiān)測點(diǎn)及其位置見表1，圖1.

圖1 202工作面及礦壓監(jiān)測布置圖

表1 礦壓監(jiān)測內(nèi)容及其位置表

2 頂板變形位移變化

2.1 頂板下沉量變化規(guī)律

為觀測9-2022巷留巷段的頂板下沉量變化規(guī)律，分別在距切眼100 m、500 m、800 m的位置布置十字測點(diǎn)進(jìn)行頂板位移變化監(jiān)測(圖2)，并分析其變化規(guī)律。

經(jīng)分析，距切眼100 m、500 m位置留巷段的頂板在工作面推進(jìn)50 m范圍內(nèi)頂板下沉量最大，工作面推進(jìn)50～120 m下沉量變緩，120 m后進(jìn)入穩(wěn)定階段，頂板最大下沉量150 mm左右；距切眼800 m位置留巷段的頂板在工作面推進(jìn)35 m范圍內(nèi)頂板下沉量最大，工作面推進(jìn)35～120 m下沉量變緩，120 m后進(jìn)入穩(wěn)定階段，頂板最大下沉量200 mm左右。

圖2 頂板下沉量變化圖

2.2 頂板離層情況變化規(guī)律

頂板離層主要監(jiān)測錨索或錨桿支護(hù)范圍(錨固范圍以內(nèi)和錨固范圍以外)內(nèi)的離層值，它主要由基點(diǎn)錨頭、測繩、套管、外測筒與內(nèi)測筒組成。安裝時將深基點(diǎn)錨頭固定在深部穩(wěn)定基巖內(nèi)(11 m)，淺基點(diǎn)固定在錨桿端部位置(2 m). 該留巷段頂板離層監(jiān)測點(diǎn)安裝在距切眼500 m處，深、淺基點(diǎn)都在恒阻大變形錨索孔內(nèi)，深基點(diǎn)位于孔底、淺基點(diǎn)位于距孔口2 m位置(圖3). 經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)頂板離層變化規(guī)律如下：

圖3 距切眼500 m處頂板離層圖

1) 工作面的推進(jìn)對巷道頂板離層產(chǎn)生影響，一般處于超前30 m左右。由9-2022留巷段監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，工作面開始推進(jìn)時，巷道頂板離層就開始產(chǎn)生。工作面推進(jìn)38 m期間，頂板離層變化量最為迅速。

2) 工作面推進(jìn)38～150 m期間，頂板離層變緩滯。工作面推進(jìn)150 m后，頂板離層值趨于穩(wěn)定。

3 支架壓力和錨索受力變化規(guī)律

支架壓力監(jiān)測包括工作面支架和留巷段門式支架壓力，主要掌握切頂卸壓效果和工作面推進(jìn)后留巷段的支撐壓力變化規(guī)律。錨索受力情況監(jiān)測主要是了解工作面超前段、留巷段的錨索受力變化規(guī)律。

3.1 工作面支架壓力變化規(guī)律

工作面支架壓力監(jiān)測主要由本安型壓力傳感器KJ385-G、監(jiān)測分站KJ385-F2、監(jiān)測主站KJ385-F1、傳輸接口KJ385-J和KJ27圍巖動態(tài)監(jiān)測分析系統(tǒng)組成。202工作面支架壓力的監(jiān)測位置包括距留巷段10 m、工作面中間和距上巷15 m等3個地點(diǎn)，分別代表切頂效應(yīng)影響區(qū)、中部未影響區(qū)和未切頂影響區(qū)。3個位置的支架壓力及來壓步距見表2.

表2 工作面3個位置的支架壓力及來壓步距表

由表2可知，工作面中間支架最大和平均壓力明顯高于留巷側(cè)和上巷側(cè)，留巷側(cè)支架最大和平均壓力略低于上巷側(cè)；工作面中間初期來壓和周期來壓步距均低于留巷側(cè)和上巷側(cè)，留巷側(cè)較上巷進(jìn)風(fēng)側(cè)初次來壓步距增大4 m、周期來壓步距增大5.5 m. 工作面端頭周期來壓步距增加,表明在切頂爆破的影響下，直接頂垮落高度大且塊度小，采空區(qū)充填效果好，形成碎漲的矸石通?？梢詫⒉煽諈^(qū)充滿，基本頂發(fā)生回轉(zhuǎn)的空間較?。换剞D(zhuǎn)角越小回轉(zhuǎn)變形也較小，導(dǎo)致基本頂不易發(fā)生斷裂，即步距加大，對沿空留巷直接頂產(chǎn)生的壓力也較小。

3.2 門式支架壓力變化規(guī)律

選用ZMX410/220門式支架,長3 200 mm、寬300 mm、高2 200～4 100 mm，可伸縮長度：0～500 mm，支架工作阻力2 040 kN. 安裝壓力傳感器，定時記錄門式支架的壓力變化，并與恒阻錨索的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，分析巷道的穩(wěn)定性。壓力變化圖見圖4.

圖4 門式支架壓力變化圖

由圖4可知，門式支架安裝后有一定的初撐力20～25 MPa,工作面推過后支架壓力逐漸增加，平均增加速率0.45 MPa/m；工作面推進(jìn)20 m左右，支架壓力基本穩(wěn)定或呈現(xiàn)小幅振蕩，約40 MPa. 說明門式支架能夠適應(yīng)留巷段頂板壓力的變化，工作狀態(tài)良好。

3.3 恒阻大變形錨索受力情況

恒阻大變形錨索是沿空留巷的主要支護(hù)方式之一，煤巷掘進(jìn)期間即采用恒阻大變形錨索加固采空區(qū)側(cè)、普通長錨索加固9-204工作面相鄰側(cè)。分別在距切眼100 m、500 m、800 m3個位置的恒阻大變形錨索中埋設(shè)錨索測力計，監(jiān)測錨索受力變化情況，并與門式支架壓力變化進(jìn)行比較，確定留巷段有效的支護(hù)方式。通過使用測力計記錄壓力盒指示的壓力值，此后定時讀取壓力值獲取錨索壓力隨時間變化值。

距切眼200 m、400 m和700 m3個位置恒阻大變形錨索的受力變化情況見圖5.

圖5 恒阻大變形錨索受力變化圖

由圖5可知：

1) 工作面推進(jìn)產(chǎn)生的超前集中應(yīng)力對錨索受力產(chǎn)生影響，超前影響32～35 m，平均33 m，與十字測點(diǎn)法所測超前支承壓力影響范圍基本一致。

2) 留巷段錨索受力滯后工作面約25 m，隨著基本頂周期性斷裂，錨索應(yīng)力出現(xiàn)減小情況；滯后工作面60 m范圍內(nèi)，由于頂板運(yùn)動導(dǎo)致錨索應(yīng)力出現(xiàn)一定波動，整體隨著頂板圍巖變形量增加呈增加趨勢，進(jìn)入留巷段120～150 m后錨索受力最終趨于穩(wěn)定。

3) 比較恒阻大變形錨索拉力和門式支架壓力變化可知，留巷段20 m左右門式支架壓力進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，恒阻大變形錨索在這期間拉力變化最大，經(jīng)過震蕩調(diào)整，留巷段120 m后才進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，說明恒阻大變形錨索是留巷段不可或缺的支護(hù)方式。

4 結(jié) 論

通過對頂板及其支護(hù)壓力和頂板位移變化情況的長期監(jiān)測，分析頂板位移和各種支護(hù)方式的力學(xué)特征，得到如下結(jié)論：

1) 留巷段頂板離層顯現(xiàn)較頂板下沉量時效長，工作面推進(jìn)150 m后頂板離層穩(wěn)定，而頂板下沉量在工作面推進(jìn)50 m以內(nèi)基本穩(wěn)定；頂板最大下沉量明顯高于頂板離層值，最大下沉量200 mm、最大離層值不足50 mm.

2) 工作面中間支架壓力高于上下端頭、來壓步距低于上下端頭，留巷對工作面靠近留巷側(cè)的支架壓力影響較小，留巷側(cè)支架最大和平均壓力略低于上巷未切頂留巷側(cè)、其初次和周期來壓步距略高于上巷未切頂留巷側(cè)。

3) 進(jìn)入留巷段后，工作面推進(jìn)20 m時，門式支架壓力進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，而恒阻大變形錨索距工作面60 m范圍內(nèi)都是處于震蕩波動狀態(tài)，進(jìn)入留巷段120 m至150 m后錨索受力最終趨于穩(wěn)定，說明恒阻大變形錨索是留巷段不可或缺的支護(hù)方式。