大采高综采面采空侧巷道矿压显现规律研究

张 毅

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西 晋中 045400）

1 概况

阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司9713 大采高综采工作面位于七采区，开采9#煤，开采标高+724～+756 m，埋藏深度359～460 m。 工作面沿煤层走向开采，可采长度平均1 172 m，倾斜长220 m，面积为257 840 m2。工作面由北向南依次布置回风顺槽、低位抽采巷、走向高抽巷、进风顺槽.9713 工作面北部靠近9712 工作面采空区， 东邻七采区系统大巷，南部靠近9#煤七采区未采区域，西接9804工作面采空区，其中，工作面回风顺槽靠近采空区侧。

9#煤层厚度5.0～5.6 m，平均5.17 m，煤层倾角为2°～10°，平均4°。 工作面切巷沿煤层倾向南北向布置，沿煤层走向由西向东推进。9713 进、回风巷与邻近工作面煤柱均为35 m；进风巷、切巷均沿9#煤层顶板布置； 回风巷在煤层分叉区沿9#煤层底板布置， 在煤层合并区沿9#煤层顶板布置；煤层直接顶为砂质泥岩，厚度7.88 m，水平层理，夹粉砂岩条带，含砂量不均，具节理；煤层直接底为砂质泥岩，厚度9.34 m，下部含粉砂岩薄层，性脆，断口呈参差状，致密，细腻。

国内外大采高综采工作面的开采实践表明，工作面采高增大后，采空区顶板的下沉空间也随之加大，超前支承压力也将随之加大，容易造成巷道围岩进一步失稳，冒顶、片帮现象频发，巷道压力大、变形严重， 一直是大采高工作面面临的常见问题，持续影响工作面推进速度及安全高效生产[1-5]。

图1 9713 工作面平面布置

2 巷道围岩状态数值模拟

2.1 模拟方案

为比较采空侧与非采空侧巷道围岩状态，根据9713 工作面地质及煤层赋存条件，采用UDEC软件对9713 工作面进、 回风顺槽受采动影响下塑性区分布、破坏深度进行模拟，模型的建立条件参数为：所建立的模型煤厚为5.0 m，将煤层划分为宽×高=0.25 m×0.25 m的块体，直接顶1.0 m×0.5 m，底板1.0 m×0.5 m。 整个模型大小为 （宽×高）200 m×150 m， 以深400 m位置的上边界载荷模拟，支架工作阻力8 000 kN，煤层倾角设定为4°。

各巷道尺寸及支护方式具体如下：

9713 回风巷断面为矩形，荒宽5.0 m，荒高4.3 m，顶部采用5 根Φ21.8 mm×6 200 mm （1×19 股）锚索，两帮各布置4 根Φ20 mm×2 400 mm左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆， 两根Φ17.8 mm×4 200 mm（1×7 股）帮锚索，支护排距均为1 m。

9713进风巷断面为矩形，荒宽5.0 m，荒高3.7 m，顶部采用5 根Φ17.8 mm×6 200 mm（1×7 股）锚索，两帮各布置4 根Φ20 mm×2 400 mm左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，支护排距也为1 m。

2.2 模拟结果分析

根据数值模拟结果，参考不同采高下围岩状态[6]，采空侧与非采空侧对巷道围岩状态特别是巷帮的影响有较大区别，煤帮塑性区分布、煤壁破坏深度及煤体位移曲线分别见图2(a)、图2(b)。

图2 煤帮塑性区、破坏深度及煤体位移曲线

通过对进风顺槽、回风顺槽回采条件下围岩状态进行数值模拟计算，可明显看出，巷帮煤体塑性区分布范围、破坏深度、位移量三者都有明显区别。

回风顺槽北侧由于靠近9712 工作面采空区，巷道围岩尤其是北帮变形明显， 平均变形量为0.8 m，煤壁先受剪切再受拉伸破坏，表现为煤壁中上部片帮，煤壁位移量为305 mm，而且片帮范围较大；巷帮塑性区范围达到1.1～1.5 m， 煤壁稳定性差，围岩平衡性差。

进风顺槽南侧靠近9714 工作面（未采），巷道南帮几乎不发生变形或极少量片帮；平均变形深度在0.2 m以内，主要发生在煤壁中部，煤壁位移量不明显；南部塑性区范围不超过0.6 m，围岩状态良好。

3 工作面超前支承矿压观测

3.1 观测内容及方案

为研究分析进、回风顺槽矿压显现规律以及顶锚索支护效果，对巷道围岩表面位移以及顶部锚索载荷进行监测， 之后通过对数据资料的整理分析，作为分析进、回风侧的支撑压力的现场依据，因此矿压观测内容主要包括：

（1）巷道断面变形量。 主要反映巷道围岩变形程度，具体包括顶底板移近量、两帮移近量，见图3。

（2）顶板锚索受力载荷，锚索测力仪见图4。

图3 巷道表面位移测站布置

图4 YAD200 矿用锚索测力仪

3.2 测站布置及观测

为分别监测9713 工作面进、 回风顺槽围岩变形与矿压显现规律， 采用综合测站YAD200 矿用锚索测力仪进行监测，测站分布情况为：

进风顺槽由于靠近实体煤， 综合测站间隔为500 m， 从设计停采线开始一共布置有3 个综合测站，回风顺槽由于靠近采空区，综合测站间隔为300 m，共布置有5 个测站，其中，进、回风顺槽第一组测站均设置在停采线处，停采线至切巷依次为1#、2#…测站。

为防止仪表损坏，保证仪表读数可靠，每个测站安装YAD200 矿用锚索测力仪3 块， 对应锚索为第2、3、4 根，选用性能可靠的在线、无线传导采集式仪器，在距工作面100 m处开始观测，同时对测站处表面位移进行观测，A、B、C和D应分别布置在巷道顶底板和两帮正中位置， 使用长度为5 000 mm钢卷尺观测， 观测期间分别观测仪表读数及AB、CD、OA和OC距离，并由专人每天记录。

3.3 观测结果与分析

根据9713 工作面现推进距离（距切巷430 m），通过收集、整理与分析进风顺槽3#测站和回风顺槽4#测站，最终得到进、回风巷超前压力分布图及巷道变形量见图5～图8。

图5 9713 进风超前压力分布

图6 9713 回风超前压力分布

图7 9713 回风顶底板变形量

图8 9713 回风两帮变形量

通过9713 工作面不同推进距离进回风顺槽超前压力分布图（见图5、图6）结合9713 回风巷道变形规律（见图7、图8）可以看出，由于回风顺槽靠近采空区， 当工作面推进到距回风顺槽4#测站60 m处时，巷道围岩开始出现应力集中现象，顶板压力开始增大，同时巷道开始变形；推进到距回风顺槽4#测站35 m左右时， 巷道围岩应力集中开始急剧上升；推进到15 m左右时，巷道顶板压力达到最大值，巷道围岩变形速度也达到最快，顶底板移近速度达76 mm/d，两帮移近速度更是达82 mm/d，之后顶底板及两帮变形速率均开始明显下降；进风顺槽靠近实体煤帮，当工作面推进到距进风顺槽3#测站35 m时，巷道围岩开始出现应力集中现象，顶板压力开始增大； 推进到距进风顺槽3#测站25 m左右时，巷道围岩应力集中开始急剧上升；推进到距进风顺槽3#测站20 m左右时， 巷道顶板压力达到最大值，之后回落至原始水平。

图9 9713 进风围岩变形量

通过9713 进风巷道围岩变形规律 （见图9）可以看出，由于进风顺槽靠近实体煤侧，当工作面推进到距进风顺槽3#测站30 m 处时， 巷道开始变形；推进到距进风顺槽3#测站10～20 m左右，巷道围岩变形速度达到最快，顶底板及两帮移近速度均达20 mm/d左右，之后巷道围岩变形开始下降。

通过以上分析可知：采空区侧的超前支承压力影响范围较实体煤侧增大，影响范围最大达到60～70 m，明显大于实体煤侧超前支承压力影响范围的20～35 m，而且超前支承压力大小及增幅也是采空侧大于实体煤侧，且前者超前支承压力峰值距离工作面较近。

4 结语

开元公司9713 综采工作面为大采高综采工作面，且回风顺槽一侧靠近采空区，对工作面矿压显现规律产生较大的影响。

1）受采空侧应力影响，回风顺槽围岩塑性区分布范围、破坏深度、巷道围岩位移量三者都较实体煤有明显增大。

2）采空区侧的超前支承压力，无论影响范围还是压力大小都较实体煤侧有较大增加，最大影响范围达到60～70 m， 必须将回风顺槽超前支护扩大至80～100 m范围，以保证采场的安全生产。

3） 采空区侧巷道超前支承压力峰值在15 m左右，非采空侧巷道压力峰值为18 m左右，必须根据压力峰值位置提高支护质量，增强对巷道围岩的控制。