应力显现条件下掘进支护方式的研究与应用

龚亚光，王建宇，王永涛

(兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿，山东 兖州272102)

0 引 言

兴隆庄煤矿是国家“六五”期间自行设计和建造的第一座年产300 万t 的大型现代化矿井，1981 年12 月正式投产使用。现核定生产能力已跃升至年产660 万t。随着矿井服务年限的不断增加,采掘活动日益增多,掘进工作面施工经常会遇到一些特殊地质条件，为确保掘进期间的施工安全，增强掘进巷道的稳定性和安全性。通过对地质条件、顶板变化和支护方式的分析、研究与总结，不断改进优化支护方式，为类似地质条件下掘进施工积累了宝贵的经验。

1 10309 运顺掘进工作面简介

10309 运顺掘进工作面位于刘家岗、大庙村南东，东滩矿以北。工作面标高-392.7～-429.2m，所在煤层为下二叠系月门沟统山西组底部之3 煤，以亮煤为主，含镜煤条带，属半亮型煤，煤层倾角2～8°,平均3°。煤层结构复杂，在距顶板2.8～3.0m 处存在厚度约0.03m 的炭质细砂岩夹矸，煤层厚度一般为8.1～10.28m，平均9.3m。普氏硬度系数f=2～3。

本掘进工作面所在煤层直接顶共有2 层，下层为粉砂岩，厚度2.7～4.3m，上层为砂质粘土，厚度18.7～23.7m；直接底为中粒砂岩，厚度3.2～4.6m；基本底为泥质细砂岩，厚度5.8～7.9m。地质构造简单，煤层总体为一单斜构造，发育次一级的波状起伏，煤层倾向NW～SE。两侧均为实体煤掘进，且掘进期间无断层发育。

10309 运顺掘进工作面为综掘工作面，设计长度约1045m，巷道采用净宽4.8m，高度为3.5m 的矩形断面，采用锚网索带联合支护。

2 工程施工概述

10309 掘进工作面施工过程中，根据规程设计要求及现场应力显现等实际情况可大体分成3 个阶段：①运顺机头硐室施工阶段；②应力集中显现施工阶段；③正常施工阶段。本文将针对应力集中显现阶段进行详细地研究与分析。

2.1 运顺机头硐室施工阶段

1）10309 运顺掘进工作面施工期间，为满足回采期间的设备安装需要，在施工初期同时施工处机头硐室。根据设计要求，机头硐室长度约77m，共分为3 部分。

第一部分：长度约13m，采用上宽6m、下宽7.8m、保证巷道高度2.7m 位置6.6m 的大梯形断面，巷道高度4.0-～4.2m，坡度按0°施工。采用一次截割全宽的方式进行施工。

第二部分：长度约19m，采用上宽7m、下宽8.8m、保证巷道高度2.7m 位置7.6m 的大梯形断面，巷道高度4.0～4.2m，坡度按-3°施工。采用先导硐后扩宽的方式进行施工。期间从四采下部集运巷上方通过，实际净煤柱约3.5m，在四采下部集运巷内共架棚18 架。

第三部分：长度约45m，采用上宽4.8m、下宽6.0m、巷道高度4.0～4.2m 的直角梯形断面，坡度按-3°施工。施工期间将涨紧硐室同时完成，涨紧硐室主体尺寸：长×宽＝5.0m×2.5m。

2）机头硐室施工期间，虽然断面相对较大，但并无明显动力及应力显现情况出现，顶板完整，施工较为顺利。

2.2 应力集中显现阶段

机头硐室施工结束后，开始按-6°施工，当10309 运顺施工至98m 位置时（为距10309 运顺起点位置，下同），巷道两侧底角均找至3 煤底板。然后，巷道开始沿右帮的3 煤底板施工，为确保底板平整，左帮底部截割岩石0.5m～1.0m 不等。

自该位置开始，巷道内出现应力集中显现情况。主要表现为迎头后方锚索断裂、顶板下沉（即顶板离层仪读数增大）、煤炮频发等应力显现情况。针对出现的应力集中显现情况，通过对地质条件、顶板变化和支护方式的分析、研究与总结，不断改进优化支护方式，最终实现安全掘进。支护方式优化过程主要经过以下3 个阶段。

1）在98m-113m 施工期间，多次出现锚索断裂、顶板下沉等情况出现。且经统计，锚索断裂位置基本在工作面顶板以上2.5m-3.0m 之间，锚索断裂具有明显径缩现象。可以推断该区域施工期间，锚索断裂方式均为受拉力所致。为此，采取在85m-～113m 区域内顺巷布置2 条U 型钢锚索梁及支设单体支柱的方式进行补强支护。

2）鉴于上述应力显现情况，为确保工作面施工安全，在113m～188m 施工期间，随掘进施工，每隔一排（即排距为1.8m）布置一条U 型钢锚索梁。修改支护方式后，仍出现锚索断裂情况，但顶板下沉量减少，且锚索断裂位置基本在锚索锁具与钢带结合位置。由此，可以推断该区域施工期间，锚索断裂方式均为受剪切力所致。

3）鉴于上述应力显现情况，为确保工作面施工安全，在188m～236m 施工期间，顶部支护方式修改为，随迎头掘进每隔排布置一条20# 槽钢锚索梁。支护参数修改后，未出现断锚索情况，但顶板仍不稳定，成型较差，需要每排施工超前锚杆用以控制顶板成型。尤其是196m～198m 顶板出现漏顶情况，漏顶高约2m、长度约3m。

鉴于上述应力现象情况，经过研究分析决定，自236m～356m 施工期间，修改支护参数如下：

1）将掘进设计断面由净宽4.8m 缩短至净宽4.6m；

2）顶部锚杆的长度由2.4m 加长至2.8m。

3） 将20# 槽钢锚索梁的长度由3.0m 缩短至1.5m，并且每排布置一条槽钢锚索梁配合2 条锚索。

自此次修改支护方式后，顶板逐步趋于稳定，成型变好。基本杜绝锚索断裂情况、顶板下沉量及煤炮明显减少。由于可以推断，该种支护方式符合现场需要，能够满足顶板支护强度要求。因此，在后续工作面掘进期间均按照上述支护方式进行施工，效果良好。

2.3 正常施工阶段

经过上述应力显现情况，多次优化改进支护方式后，工作面顶板趋于稳定。因此，在后续工作面掘进期间均按照上述支护方式进行施工，直至全部工程施工结束。

3 应力显现成因分析

3.1 导致应力显现明显的成因分析

1）根据煤层柱状图可知，3 煤的上覆岩层中有一层厚度约18.7m～23.7m（平均厚度约21.75m）的砂质粘土。掘进截割后上覆岩层应力重新分布，但由于该岩层承压较弱且具有遇水膨胀等特性，导致掘进巷道顶板变形严重，应力显现明显。如图1 所示。

图1 煤层柱状图

2）该区域两侧均为实体煤掘进，掘进施工前原岩应力无任何释放。掘进截割后，巷道四周煤岩体的应力重新分布，加之顶部支护强度不足，导致顶板受压明显，变形量较大等情况出现。

3.2 顶板变化方面分析

1）经统计，锚索受拉力断裂范围，大体上为距掘进迎头5～15m 范围内。换而言之，应力显现情况为随工作面掘进显现，即受采动影响所致。

2）根据顶板离层仪变化曲线分析，如图2 所示。

图2 顶板离层仪变化曲线

根据10309 运顺的全部离层仪变化情况观察，顶板下沉及变形大体可分为以下三个阶段：

骤变阶段：掘进0～7 天内，顶板有下沉及变形量，且变化较大。

蠕变阶段：掘进7～15 天内，顶板有下沉及变形量，但变化相对较小。

平稳阶段：掘进15 天之后，顶板趋于平稳，基本无下沉及变形量。

3.3 支护方面分析

1）应力明显显现初期，锚索断裂位置基本在2.5m～3.0m 之间，且锚索断裂均出现明显径缩现象。但该区域施工期间无锚杆断裂现象出现。如图3 所示：

由于锚索径缩现象明显，基本可以证实锚索断裂多为受拉力所致。因此大体可说明，浅部支护（顶板锚杆支护范围内）强度能够满足压力变化，但深部支护（顶板锚索支护范围内）强度无法满足压力变化。

2）使用U 型钢锚索梁随迎头掘进期间，锚索断裂位置基本在锚索锁具与钢带结合位置，且锚索断裂位置均为平滑切口。如图4 所示：

图3 锚索径缩现象

图4 锚索受剪切力断裂

因此，大体可说明，该区域施工期间，锚索断裂多为受剪切力所致。

经分析认为，导致该问题出现的原因主要为：顶板受压变形，导致U 型钢翻滚对锚索进行剪切所致。

4 支护方式研究确定

1）缩小断面：巷道净宽缩小为4.6m 断面，减少顶板承压范围；

2）使用槽钢：避免U 型钢翻滚剪切锚索；

3）使用2.8m 顶部锚杆［3］：加长顶部锚杆的长度，即加长顶板浅部支护范围；

经过多次支护方式调整及现场实际情况证实，以上措施能够加强顶板的管控强度，提高支护的可靠性。支护效果较为明显，且安全可靠。

5 其他安全防护措施

工作面掘进施工期间，除采取上述支护方式外，为确保人身安全，补充采取以下两种防范措施。

1）在掘进机司机座位上方安装防护罩，防止锚索断裂下坠伤人。

2）采取全包围防护网的方式，对锚索进行保护，防止锚索断裂及让压环崩断伤人。

如图5 所示

图5 其他安全防护措施

6 结 语

通过对10309 运顺掘进工作面在特殊地质条件下，应力集中显现情况的研究与分析后，采取了适当的支护方式，取得了较为显著的效果。至今，10309 运顺掘进工作面已经全部施工完毕，顶板管控效果明显，未在出现锚索断裂、顶板下沉及煤炮频发等应力显现情况出现。由此可见，对10309 掘进工作面应力显现成因分析及支护方式优化改进，符合现场的实际情况，为类似条件的掘进施工积累了丰富的经验，具有非常重要借鉴意义。