塔山矿8305工作面留巷巷道围岩控制与矿压规律研究

田忠良

(晋能控股煤业集团 雁崖煤业公司，山西 大同 037001)

1 工程概况

晋能控股集团塔山煤矿8305工作面井下位于三盘区东翼东北部，工作面走向可采长度为1 292 m，倾斜长度为299.5 m，东北邻近盘区边界，东南邻近8306工作面，西南以三盘区大巷为界。盖山厚度在462～518 m，平均490 m。工作面开采2号煤层，煤层平均厚度为3.3 m，平均倾角为2°，煤层内平均含有两层夹矸，夹矸厚度平均厚度为0.28 m，煤层顶底板岩层特征如表1所示。8305工作面综合机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板，工作面采用两巷布置，2305巷为进风巷，5305巷为回风巷，5305巷为切顶卸压留巷巷道，现为保障8305工作面回采期间5305巷道围岩稳定，特进行沿空留巷巷道复用期间围岩控制技术研究。

表1 顶底板岩层特征

2 留巷支护技术

5305巷沿空留巷采用“110”工法，即在上区段工作面回采期间通过顶板预裂切缝的方式改变采空区顶板的结构，通过工作面回采后采空区顶板的垮落碎胀特征形成巷道，110工法沿空留巷又称切顶卸压自成巷，该留巷技术的核心在于通过双向聚能张拉爆破的方式对顶板进行定向预裂，采用恒阻大变形锚索进行留巷顶板的加固控制[1-3]。5305巷沿空留巷期间的支护方案具体如下：

1) 巷道原有支护设计：5305巷为矩形断面，巷道宽度×高度=5 000×3 100 mm，巷道沿煤层顶板进行掘进作业，巷道采用锚网索支护，顶板支护中锚杆规格为D22 mm×2 500 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为1 100 mm×1 100 mm，顶板靠实体煤帮锚杆与顶板成70°布置，其余锚杆均垂直顶板布置；顶板锚索规格为D21.8 mm×9 000 mm的1×7股钢绞线，间排距为1 600 mm×3 000 mm，顶板锚杆预紧扭矩为300 N·m，锚索预紧力为120 kN。巷道帮部锚杆规格为D22 mm×2 000 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×1 000 mm，帮部锚杆预紧扭矩为250 N·m，两帮靠近顶角和底角的锚杆与帮部成10°布置，其余锚杆均垂直于巷帮布置，巷道全断面采用10号铁丝编制的金属网进行护表，具体巷道原有支护方案如图1所示。

图1 5305巷原有支护断面(mm)

2) 留巷期间补强支护：5305巷在切顶卸压后，在留巷期间为保障补强锚索的支护效果，补强锚索支护方式见图2。锚索的锚固端需高于切顶高度1～2 m，根据巷道地质条件可知，巷道顶板岩层中存在着分层现象，为保障支护效果，确定锚索的支护高度为13 m，结合悬吊理论进行计算[4]，计算公式如下：

(1)

式中：n为顶板岩层的层数；Di为顶板岩层单层的厚度，m；ρi为单层顶板的容重，kN/m3；ρd为切顶范围内顶板的容重，kN/m3；Lh为留巷的高度，m；基于采空区顶板垮落后对顶板形成有效支撑，基于巷道特征计算得出ρd=15.0 kN/m3，Pm≥112.5 kN/m2，这即表明在进行补强锚索支护时，支护密度最少应该为0.25根/m2，基于计算结果设置补强锚索支护排距为3 m，锚索规格为D21.8 mm×9 000 mm的恒阻大变形锚索，1排布置2根，2根间采用W型钢带进行连接。

3) 临时支护设计：切顶卸压自成巷的临时支护包括超前临时支护和架后临时支护两部分，其中超前临时支护的主要目的为防止工作面超前应力集中对围岩的扰动，架后临时支护主要为动压承载区的围岩提供支撑。基于众多沿空留巷的围岩变形工程实践结果[5-6]，设计留巷段超前支护的长度为30 m，支护方式采用一梁三柱，单体支柱型号为DW40-300/110x，支护排距为1 m，具体超前支护断面如图3(a)所示。架后临时支护采用每排布置5根单体的形式，其中在巷道切缝侧单体支柱的排距为0.5 m，其余单体支柱的排距为1 m，工作面回采推进后的区域全部进行架后临时支护，直至成巷稳定后方可对架后临时支护进行拆除，具体架后临时支护如图3(b)所示。

图2 补强锚索支护方式示意

图3 沿空留巷临时支护断面(mm)

4) 挡矸支护：5305巷沿空留巷期间采用11号矿用工字钢配合金属网进行挡矸支护，挡矸结构中工字钢的间距为500 mm，金属网采用10号铁丝编制的网片。

3 成巷复用期间矿压规律

为掌握切顶自成巷在复用期间的矿压规律，同时为分析5305巷沿空留巷的围岩变形规律，在8305工作面回采期间，分别进行围岩变形规律及工作面来压规律的分析，具体分析如下：

1) 围岩变形规律：8305工作面回采期间，在工作面超前30 m的位置处，布置巷道围岩变形监测点，围岩变形采用十字布点法进行测试分析，围岩变形量持续监测分析至工作面回采到监测断面处，具体5305巷复用期间在该工作面的采动影响下，围岩变形特征如图4所示。

分析图4可知，8305工作面回采期间，5305巷采采动影响下围岩变形量较小，其中顶底板移近量最大值仅为12.5 mm，顶板下沉量和底板鼓起量分别为9.7 mm和2.8 mm，两帮移近量的最大值为14.5 m，其中碎石帮和实体煤帮的变形量分别为6.1 mm和8.4 mm，5305巷复用期间围岩在现有支护方案下变形量小，围岩支护强度完全满足8305工作面回采期间的使用要求。

2) 工作面来压分析：8305工作面回采期间，进行工作面内液压支架工作阻力的监测分析，通过分析端头支架的受力情况，能够在一定程度上反应出巷道的受力情况；另外基于切顶短臂梁理论，能够判断出架后采空区的垮落情况，以此能够有效指导巷道的超前补强支护。8305工作面矿压监测方案如图5所示。

图4 5305巷复用期间围岩变形曲线

图5 工作面矿压监测方案

根据矿压监测结果，选取1号、33号和65号液压支架分别代表非留巷侧、工作面中部及留巷侧，液压支架工作曲线如图6所示。

图6 工作面液压支架工作曲线

分析图6可知，8305工作面回采期间，工作面中部液压支架的来压强度明显大于工作面两端头，工作面留巷侧(5305巷侧)与非留巷侧相比，液压支架的工作阻力明显减小，平均卸压减小6.8 MPa，这即表明巷道的切顶卸压效果较为显著。

通过对工作面液压支架工作阻力的统计分析，能够得出工作面来压情况如表2所示。

根据监测结果分析可知，8305工作面回采期间，5305巷复用期间工作面液压支架仍在一定程度上受到切顶卸压作用的影响，但复用期间的卸压幅度相较于留巷期间有所减小，这即表明切顶巷道在复用期间，5305巷复用期间的临时支护强度应适当高于沿空留巷时期的支护强度，弱于留巷时期架后临时支护的强度。

4 结 语

根据8305工作面的地质条件，基于5305巷切顶卸压自成巷的特征，设计巷道采用锚网索支护+补强支护+临时支护+档矸支护进行围岩控制，并进行各项支护参数的设计，通过8305工作面回采期间的围岩变形观测及矿压监测分析可知，5305巷现有支护满足巷道复用的使用要求，工作面回采期间，工作面中部支架来压强度大，复用巷道侧支架工作阻力小于非沿空侧。

表2 8305工作面来压情况统计