中厚煤层切顶卸压留巷段矿压显现规律研究

王云芳，郭临明

(1.霍州煤电集团 吕梁山煤电有限公司店坪煤矿, 山西 吕梁 033102;2.霍州煤电集团 吕梁山煤电有限公司, 山西 吕梁 033102)

沿空留巷可以提高煤炭资源采出率和矿井服务年限，缓和矿井生产接替的矛盾，减少了工作面综合机械化设备的搬运和安装时间，有效预防采空区煤层自燃的发生。管学茂等[1]等认为沿空巷道顶板下沉速度在工作面后一个来压步距位置处最为强烈，围岩活动剧烈。李化敏等[2]认为采空区侧的顶板下沉量比煤帮处大一倍左右，沿空留巷的顶板下沉量随巷道宽度和悬顶距的增大呈正比增长。蒋金泉等[3]认为直接顶冒落填满采空区，基本顶能够处于平衡状态，从而有利于沿空留巷的维护。杨永杰[4]提出足够的支架阻力能避免直接顶严重破裂，并使其与顶板不产生较大的离层。高玉兵等[5]为解决厚煤层切顶卸压自动成巷碎石帮控制难题，通过建立动力学模型，探索成巷过程中矸体冲击效应，提出了动压防冲、缓压让位和恒压稳控的多层次控制思路；汤建泉等[6]通过数值模拟计算及现场实测，研究了切顶卸压无煤柱自动成巷技术成巷段巷道围岩支承压力分布及围岩变形规律；王建文等[7]提出增大临时支护距离、加强主动支护强度、优化切顶卸压顶板切缝参数有利于顶板管理；蔡峰[8]提出了双向聚能爆破有利于坚硬顶板卸压且随着切顶高度的增加，其切顶卸压效果更为明显。

本文通过对顶板及其支护压力和顶板位移变化情况的长期监测，分析工作面支架和门式支架压力、恒阻锚索受力和采空区矸石侧向压力状态，研究顶板下沉量、离层的变化规律，从而优化类似地质条件的切顶留巷支护技术。

1 切顶留巷基本情况

1.1 工作面基本条件

店坪煤矿202工作面位于830水平二采区左翼，北与200工作面相邻(已回采结束)，南为204工作面(图1). 开采5号煤层，平均煤厚3.1 m，倾角4°；伪顶砂质泥岩，厚度0.7 m；直接顶砂岩，厚度6.1 m；基本顶砂质泥岩，厚度2.1 m. 工作面埋深225～360 m，走向长度1 200 m，倾向长度220 m.

1.2 留巷段支护方式

根据矿压显现及留巷功能需要，将留巷支护划分为3个区：超前支护区、临时支护区和成巷稳定区。超前支护区采用单体液压支柱+π梁联合进行超前支护，1梁4柱、排距1 m；临时支护区采用自循环式门式液压支架、单体液压支柱+U型钢可缩支架联合支护，门式支架排距1.5 m，采空区侧切缝线单体支柱间距500 mm，U型钢可缩支架间距500 mm，单体支柱与可缩支架间距250 mm；成巷稳定区撤除自循环式门式液压支架及单体液压支柱，保留U型可缩支架及钢筋网进行挡矸。

1.3 聚能爆破切顶卸压参数

为保证煤巷顶板切缝贯通效果与施工便利，采用双向聚能爆破技术实现对顶板的定向垮落。预裂爆破孔与铅垂方向夹角为15°，炮孔d48 mm、孔间距为500 mm、孔深9 000 mm. 双向聚能管外径为42 mm，内径为36.5 mm，管长1 500 mm. 单孔最佳装药量为3.2 kg，药卷规格为d27 mm×300 mm、质量200 g/卷，每孔5根聚能管，封泥长度为2.25 m.

1.4 矿压监测内容及其位置布置

留巷段的矿压监测主要包括位移和压力监测，监测地点主要位于留巷段和回采工作面。位移监测主要包括留巷段的顶底板移近量、锚杆支护巷道顶板的离层值，压力监测包括恒阻大变形锚索应力、回采工作面支架压力、煤巷门式支架和采空区侧向压力，各监测点及其位置见表1，图1.

图1 202工作面及矿压监测布置图

表1 矿压监测内容及其位置表

2 顶板变形位移变化

2.1 顶板下沉量变化规律

为观测9-2022巷留巷段的顶板下沉量变化规律，分别在距切眼100 m、500 m、800 m的位置布置十字测点进行顶板位移变化监测(图2)，并分析其变化规律。

经分析，距切眼100 m、500 m位置留巷段的顶板在工作面推进50 m范围内顶板下沉量最大，工作面推进50～120 m下沉量变缓，120 m后进入稳定阶段，顶板最大下沉量150 mm左右；距切眼800 m位置留巷段的顶板在工作面推进35 m范围内顶板下沉量最大，工作面推进35～120 m下沉量变缓，120 m后进入稳定阶段，顶板最大下沉量200 mm左右。

图2 顶板下沉量变化图

2.2 顶板离层情况变化规律

顶板离层主要监测锚索或锚杆支护范围(锚固范围以内和锚固范围以外)内的离层值，它主要由基点锚头、测绳、套管、外测筒与内测筒组成。安装时将深基点锚头固定在深部稳定基岩内(11 m)，浅基点固定在锚杆端部位置(2 m). 该留巷段顶板离层监测点安装在距切眼500 m处，深、浅基点都在恒阻大变形锚索孔内，深基点位于孔底、浅基点位于距孔口2 m位置(图3). 经分析，发现顶板离层变化规律如下：

图3 距切眼500 m处顶板离层图

1) 工作面的推进对巷道顶板离层产生影响，一般处于超前30 m左右。由9-2022留巷段监测数据可知，工作面开始推进时，巷道顶板离层就开始产生。工作面推进38 m期间，顶板离层变化量最为迅速。

2) 工作面推进38～150 m期间，顶板离层变缓滞。工作面推进150 m后，顶板离层值趋于稳定。

3 支架压力和锚索受力变化规律

支架压力监测包括工作面支架和留巷段门式支架压力，主要掌握切顶卸压效果和工作面推进后留巷段的支撑压力变化规律。锚索受力情况监测主要是了解工作面超前段、留巷段的锚索受力变化规律。

3.1 工作面支架压力变化规律

工作面支架压力监测主要由本安型压力传感器KJ385-G、监测分站KJ385-F2、监测主站KJ385-F1、传输接口KJ385-J和KJ27围岩动态监测分析系统组成。202工作面支架压力的监测位置包括距留巷段10 m、工作面中间和距上巷15 m等3个地点，分别代表切顶效应影响区、中部未影响区和未切顶影响区。3个位置的支架压力及来压步距见表2.

表2 工作面3个位置的支架压力及来压步距表

由表2可知，工作面中间支架最大和平均压力明显高于留巷侧和上巷侧，留巷侧支架最大和平均压力略低于上巷侧；工作面中间初期来压和周期来压步距均低于留巷侧和上巷侧，留巷侧较上巷进风侧初次来压步距增大4 m、周期来压步距增大5.5 m. 工作面端头周期来压步距增加,表明在切顶爆破的影响下，直接顶垮落高度大且块度小，采空区充填效果好，形成碎涨的矸石通常可以将采空区充满，基本顶发生回转的空间较小；回转角越小回转变形也较小，导致基本顶不易发生断裂，即步距加大，对沿空留巷直接顶产生的压力也较小。

3.2 门式支架压力变化规律

选用ZMX410/220门式支架,长3 200 mm、宽300 mm、高2 200～4 100 mm，可伸缩长度：0～500 mm，支架工作阻力2 040 kN. 安装压力传感器，定时记录门式支架的压力变化，并与恒阻锚索的监测结果进行对比，分析巷道的稳定性。压力变化图见图4.

图4 门式支架压力变化图

由图4可知，门式支架安装后有一定的初撑力20～25 MPa,工作面推过后支架压力逐渐增加，平均增加速率0.45 MPa/m；工作面推进20 m左右，支架压力基本稳定或呈现小幅振荡，约40 MPa. 说明门式支架能够适应留巷段顶板压力的变化，工作状态良好。

3.3 恒阻大变形锚索受力情况

恒阻大变形锚索是沿空留巷的主要支护方式之一，煤巷掘进期间即采用恒阻大变形锚索加固采空区侧、普通长锚索加固9-204工作面相邻侧。分别在距切眼100 m、500 m、800 m3个位置的恒阻大变形锚索中埋设锚索测力计，监测锚索受力变化情况，并与门式支架压力变化进行比较，确定留巷段有效的支护方式。通过使用测力计记录压力盒指示的压力值，此后定时读取压力值获取锚索压力随时间变化值。

距切眼200 m、400 m和700 m3个位置恒阻大变形锚索的受力变化情况见图5.

图5 恒阻大变形锚索受力变化图

由图5可知：

1) 工作面推进产生的超前集中应力对锚索受力产生影响，超前影响32～35 m，平均33 m，与十字测点法所测超前支承压力影响范围基本一致。

2) 留巷段锚索受力滞后工作面约25 m，随着基本顶周期性断裂，锚索应力出现减小情况；滞后工作面60 m范围内，由于顶板运动导致锚索应力出现一定波动，整体随着顶板围岩变形量增加呈增加趋势，进入留巷段120～150 m后锚索受力最终趋于稳定。

3) 比较恒阻大变形锚索拉力和门式支架压力变化可知，留巷段20 m左右门式支架压力进入稳定状态，恒阻大变形锚索在这期间拉力变化最大，经过震荡调整，留巷段120 m后才进入稳定状态，说明恒阻大变形锚索是留巷段不可或缺的支护方式。

4 结 论

通过对顶板及其支护压力和顶板位移变化情况的长期监测，分析顶板位移和各种支护方式的力学特征，得到如下结论：

1) 留巷段顶板离层显现较顶板下沉量时效长，工作面推进150 m后顶板离层稳定，而顶板下沉量在工作面推进50 m以内基本稳定；顶板最大下沉量明显高于顶板离层值，最大下沉量200 mm、最大离层值不足50 mm.

2) 工作面中间支架压力高于上下端头、来压步距低于上下端头，留巷对工作面靠近留巷侧的支架压力影响较小，留巷侧支架最大和平均压力略低于上巷未切顶留巷侧、其初次和周期来压步距略高于上巷未切顶留巷侧。

3) 进入留巷段后，工作面推进20 m时，门式支架压力进入稳定状态，而恒阻大变形锚索距工作面60 m范围内都是处于震荡波动状态，进入留巷段120 m至150 m后锚索受力最终趋于稳定，说明恒阻大变形锚索是留巷段不可或缺的支护方式。