張 凱

（山東能源臨礦集團(tuán)菏澤煤電公司，山東 菏澤 274700）

隨著煤炭開采向深部進(jìn)一步延伸，“三高一擾動(dòng)”對(duì)礦井的危害愈發(fā)明顯，特別是傾斜長壁工作面受上覆巖層壓力影響底鼓、片幫更為明顯，嚴(yán)重威脅著礦井生產(chǎn)和工人安全[1-3]。郭屯煤礦主井深853 m，副井深883 m，風(fēng)井深778 m，屬于埋深較大的礦井之一。受大采深的上覆巖層壓力影響，3303 傾向長壁工作面圍巖變形嚴(yán)重。為保證礦井安全生產(chǎn)，對(duì)3303 工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行研究并提出合理圍巖控制方案。

1 工程概況

郭屯煤礦位于山東省菏澤市境內(nèi)，井田面積69.33 km2，可采儲(chǔ)量16 460.7 萬t，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力240 萬t/a，服務(wù)年限52.4 a。礦井當(dāng)前主采3號(hào)煤層，煤層厚度5.38～6.35 m，平均5.65 m，煤層傾角3.1°～7.9°，平均5.5°，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裂隙較發(fā)育。3303 工作面走向長度1150 m，傾向長度180 m，煤層厚度4.23～5.87 m，平均厚度為4.85 m，煤層傾角5.2°～12.1°，平均9.1°，走向俯斜開采1°～5°，平均3°。

2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測(cè)

2.1 工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)

工作面沿傾斜方向劃分為上、中、下三個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)設(shè)置8 臺(tái)監(jiān)測(cè)分站，將監(jiān)測(cè)分站的兩個(gè)監(jiān)測(cè)通道與液壓支架的兩個(gè)主立柱連接起來。通過頂板來壓的動(dòng)載壓力與支架靜載壓力的比值，也即動(dòng)載系數(shù)來反映上覆巖層運(yùn)動(dòng)情況。動(dòng)載系數(shù)小于1.2時(shí)來壓不明顯，位于1.2～1.5 之間時(shí)來壓明顯，位于1.5～2.0 之間時(shí)來壓強(qiáng)烈，大于2.0 表明來壓極其強(qiáng)烈[4]。

如表1 所示，通過對(duì)工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)，分析得出工作面的動(dòng)載系數(shù)。可以看出，工作面在回采時(shí)頂板來壓明顯，且上部區(qū)域來壓最為明顯。如表2 所示，根據(jù)工作面三個(gè)區(qū)域的周期來壓規(guī)律分析得出下部、中部及上部區(qū)域的頂板周期來壓步距分別為17.5 m、16.2 m 及14.7 m。

表1 不同區(qū)域支架動(dòng)載系數(shù)統(tǒng)計(jì)

表2 不同區(qū)域基本頂周期來壓步距

2.2 巷道圍巖變形觀測(cè)

巷道圍巖變形觀測(cè)采用十字布點(diǎn)法，分別在軌道順槽和皮帶順槽超前工作面150 m 處布置一組測(cè)點(diǎn)，在工作面回采初期每周觀測(cè)2～3 次，工作面推進(jìn)50 m 后每天觀測(cè)一次，工作面推進(jìn)到與測(cè)點(diǎn)距離50 m 后，每天觀測(cè)2～3 次。

如圖1，當(dāng)工作面與軌道順槽測(cè)點(diǎn)距離50 m 時(shí)圍巖變形速率加快，頂?shù)装遄畲笠平繛?533 mm，兩幫最大移近量為1128 mm；當(dāng)工作面與皮帶順槽測(cè)點(diǎn)距離45 m 時(shí)圍巖變形速率加快，頂?shù)装遄畲笠平繛?217 mm，兩幫最大移近量為921 mm。

圖1 巷道圍巖最大變形量

3 理論分析

傾斜長壁工作面在回采過程中，采空區(qū)頂板周期性垮落，上部區(qū)域冒落的頂板碎石沿著傾向向工作面下方滾落、滑移，形成下部壓實(shí)區(qū)、中部充分充填區(qū)和上部不充分充填區(qū)。由于三個(gè)區(qū)域的采空區(qū)矸石對(duì)頂板的支承反力不同，因此隨著工作面循環(huán)推進(jìn)，導(dǎo)致頂板的周期性垮落步距也不相同。

工作面下部區(qū)域采空區(qū)為壓實(shí)區(qū)，對(duì)上覆巖層的支承反力更強(qiáng)，可將其基本頂簡(jiǎn)化為兩端固支梁，梁內(nèi)任意點(diǎn)的正應(yīng)力為：

在極限應(yīng)力狀態(tài)下，工作面下部區(qū)域頂板周期性垮落步距為[5]：

式中：στ為基本頂抗拉強(qiáng)度，MPa；q 為基本頂單位面積承受的載荷，MPa；h 為基本頂厚度，m。

工作面上部區(qū)域形成特殊的巖層空間，對(duì)煤體的作用力也較大，使上部區(qū)域工作面和巷道出現(xiàn)片幫。

上部區(qū)域建立彈性地基梁模型。通過計(jì)算得到上部區(qū)域頂板垮落步距為：

通過代入具體數(shù)據(jù)可知，傾斜長臂工作面上、中、下區(qū)域的周期垮落步距不同，其中上部區(qū)域垮落步距最小，中部區(qū)域次之，下部區(qū)域最大。

4 圍巖控制技術(shù)及效果

根據(jù)上文分析的上覆巖層頂板破斷規(guī)律、實(shí)測(cè)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和理論分析的采空區(qū)充填特征，針對(duì)性地提出礦壓控制措施。

4.1 煤層高壓注水措施

根據(jù)工作面壓力情況，在軌道順槽施工高壓注水孔。注水孔距離工作面不低于100 m，孔間距不大于10 m，注水孔孔口高度低于巷道頂板1～1.5 m，注水孔垂直于煤幫，傾角和煤層傾角一致，孔深為80 m，注水壓力為6～12 MPa。

4.2 頂板深孔預(yù)裂爆破措施

軌道順槽頂板預(yù)裂爆破孔每20 m 設(shè)置一組，每組三個(gè)爆破孔，鉆孔角度在傾向方向與頂板夾角70o±5°偏向工作面方向，在走向方向分別與頂板夾角45°、90°、134°，呈扇形分布，爆破孔孔底與頂板垂距8 m。爆破采用煤礦許用二級(jí)乳化炸藥，使用毫秒延期電雷管，每眼裝藥13 kg，每孔使用2 發(fā)同段電雷管，采用正向起爆方式。

4.3 超前支護(hù)

工作面上、下兩順槽從工作面出口向外支設(shè)三路，使用HDJB-1000 型金屬鉸接頂梁配合DZ 型單體液壓支柱一梁一柱正懸臂走向支護(hù)。根據(jù)巷道圍巖移近量觀測(cè)變形速率的拐點(diǎn)，確定軌道順槽超前支護(hù)不小于50 m，皮帶順槽超前支護(hù)不小于45 m。另外，在軌道順槽上幫每隔2 m 支設(shè)一棵液壓支柱，長度不小于100 m。超前壓力較大時(shí)，應(yīng)根據(jù)壓力顯現(xiàn)情況加大超前支護(hù)范圍和支護(hù)密度；巷道高度超過3.5 m 時(shí)，采取打木垛方法接頂。超前支護(hù)的單體初撐力不得低于11.5 MPa。

4.4 應(yīng)用效果

現(xiàn)場(chǎng)采取相應(yīng)圍巖控制措施后，在3303 工作面軌道順槽中心位置布置測(cè)站進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)周期60 d。如圖2，觀測(cè)結(jié)果表明采取的圍巖控制措施效果良好，能充分滿足現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)的需要。

圖2 巷道表面位移變化曲線

5 結(jié)論

（1）通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可以得到，3303 工作面在回采的過程中，其超前支承應(yīng)力、圍巖變形量和礦壓顯現(xiàn)具有非對(duì)稱性特征，軌道順槽和工作面上部區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)明顯較大。

（2）通過理論分析可知，工作面回采后會(huì)形成不同的采空區(qū)充填特征，上中下三個(gè)區(qū)域分別為不充分充填區(qū)、充分充填區(qū)、壓實(shí)充填區(qū)，三個(gè)區(qū)域所構(gòu)成的支架圍巖關(guān)系也不同。

（3）確定超前支護(hù)范圍軌道順槽不小于50 m，皮帶順槽不小于45 m，提出煤層高壓注水和深孔預(yù)裂爆破卸壓措施?，F(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，采取的措施能充分滿足現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)需要。