綜放工作面回風(fēng)巷超前段破壞及控制技術(shù)

岳鵬飛

(山西馬堡煤業(yè)有限公司，山西 武鄉(xiāng) 046300)

·試驗(yàn)研究·

綜放工作面回風(fēng)巷超前段破壞及控制技術(shù)

岳鵬飛

(山西馬堡煤業(yè)有限公司，山西 武鄉(xiāng) 046300)

基于某礦705綜放工作面回采過程中回風(fēng)巷超前段礦壓顯現(xiàn)頻發(fā)難題，分析了超前段巷道破壞機(jī)理，提出采取錨網(wǎng)索支護(hù)+高壓水射流巷幫卸壓的協(xié)同控制技術(shù)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，該協(xié)同控制技術(shù)能夠有效降低工作面上端頭煤體中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。研究成果為回采工作面回風(fēng)巷超前區(qū)域圍巖穩(wěn)定性改善提供了一定的控制理論和現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義。

超前區(qū)域；采動(dòng)影響；協(xié)同控制；數(shù)值模擬

近年來，隨著綜采液壓支架的普及，工作面支護(hù)強(qiáng)度的提高，沖擊地壓顯現(xiàn)多集中于巷道中。研究統(tǒng)計(jì)表明，75%以上的沖擊地壓事故發(fā)生于回采工作面的兩道順槽中，特別是工作面0～80 m的超前區(qū)域支護(hù)范圍內(nèi)。因此，針對(duì)具有沖擊地壓危險(xiǎn)巷道的防沖研究成為亟待解決的重要課題之一。

本文以工作面超前區(qū)域巷道沖擊顯現(xiàn)頻發(fā)為切入點(diǎn)，采用FLAC2D數(shù)值模擬軟件重點(diǎn)模擬分析了錨網(wǎng)支護(hù)、錨網(wǎng)索協(xié)同支護(hù)和錨網(wǎng)索支護(hù)+高壓水射流巷幫卸壓3種不同方案下巷道應(yīng)力變化情況，基于此，提出了支護(hù)與卸壓協(xié)同作用防治沖擊地壓，并對(duì)協(xié)同作用條件下巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究及工程驗(yàn)證，旨在對(duì)受采動(dòng)等動(dòng)壓擾動(dòng)影響的巷道超前區(qū)域圍巖穩(wěn)定性改善提供一定的控制理論和現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義。

1 工程概況

某礦705工作面位于礦井東翼，該工作面現(xiàn)處于回采中，其上部的703工作面已回采結(jié)束。705綜放工作面平均開采深度達(dá)590 m左右，開切眼布置在Fa斷層以東。705工作面主采1號(hào)煤層，煤層結(jié)構(gòu)單一，煤厚較為穩(wěn)定，平均煤厚10.78 m，平均傾角26°，容重1.40 t/m3，堅(jiān)固性系數(shù)為1.3～1.5，綜放開采。705綜放工作面采掘工程平面位置見圖1.

圖1 705工作面回采巷道布置圖

2 沖擊發(fā)生情況及原因分析

705綜放工作面兩順槽掘進(jìn)期間均未出現(xiàn)礦壓、動(dòng)壓顯現(xiàn)，截止2013年11月，監(jiān)測(cè)到705工作面回采過程中已發(fā)生的沖擊顯現(xiàn)中，嚴(yán)重的沖擊顯現(xiàn)有5次，沖擊事件結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1，705工作面推進(jìn)位置及沖擊地壓顯現(xiàn)位置分布情況見圖2.

由表1和圖2可以看出：1) 歷次沖擊顯現(xiàn)位置隨著705綜放工作面回采有規(guī)律地動(dòng)態(tài)前移，且發(fā)生地點(diǎn)多集中在回風(fēng)巷。2) 5次沖擊顯現(xiàn)中又以第1、3和4次沖擊顯現(xiàn)更為嚴(yán)重。

從圖2可知，自2013年6月26日705綜放工作面開切眼回采以來，截止當(dāng)年11月30日，所發(fā)生的5次嚴(yán)重的沖擊顯現(xiàn)中，第1次(07-18)沖擊顯現(xiàn)工作面所處位置已進(jìn)入一次見方影響區(qū)，受到頂板大面積活動(dòng)的影響。第2次(09-10)沖擊顯現(xiàn)預(yù)計(jì)受到鄰近采空區(qū)形成的側(cè)向支承壓力的疊加影響作用。第3次(10-07)沖擊顯現(xiàn)工作面處于二次見方位置，且工作面停產(chǎn)6天，受工作面恢復(fù)生產(chǎn)的開采擾動(dòng)影響及二次見方期間頂板大面積活動(dòng)影響。第4次(11-23)沖擊顯現(xiàn)期間礦壓數(shù)據(jù)無明顯異常，說明這次沖擊顯現(xiàn)與頂板活動(dòng)無關(guān)，預(yù)計(jì)受704工作面停采煤柱、小斷層疊加擾動(dòng)的影響。

表1 705綜放工作面沖擊事件統(tǒng)計(jì)表

圖2 705工作面推進(jìn)位置及沖擊顯現(xiàn)位置分布圖

3 沖擊發(fā)生力學(xué)機(jī)理分析

深部井田采掘過程中，基于動(dòng)靜載疊加擾動(dòng)原理，煤體易受到靜載力源場(chǎng)和動(dòng)載力源場(chǎng)疊加擾動(dòng)影響。靜載荷主要由自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及采掘過程中形成的采動(dòng)支承壓力組成。動(dòng)載荷主要由煤巖體破裂、破斷或者斷層滑移失穩(wěn)造成積聚在煤巖體中的彈性能以震動(dòng)應(yīng)力波的形式向周圍空間釋放，從而對(duì)傳播介質(zhì)形成動(dòng)力擾動(dòng)。由于力具有方向性，因此動(dòng)靜載荷以矢量的形式作用于煤巖體上，煤巖體所受動(dòng)靜載荷疊加可用公式(1)表示：

(1)

式中：

工作面上端頭L形凸角處煤體受超前支承壓力和采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加作用影響，處于較高的集中靜載荷狀態(tài)，工作面回采引起的頂板破斷等動(dòng)力擾動(dòng)易誘發(fā)巷道沖擊破壞，巷道主要破壞形式可分為壓力型與沖擊(壓力)型兩類典型的巷幫沖擊破壞，見圖3.

圖3 典型巷道沖擊破壞事故圖

4 工作面上端頭超前區(qū)域防治

705工作面回風(fēng)巷凈斷面為4.8m×3.6m，一次錨網(wǎng)支護(hù)選用d22mm×3 000mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為0.8m×0.8m，每個(gè)錨桿孔應(yīng)使用2支Z2350型樹脂錨固劑，錨桿錨固長度約1.76m，兩幫底角錨桿向下扎角15°，輔助控制底鼓，錨桿預(yù)緊力矩不小于300N·m. 二次幫拱加強(qiáng)支護(hù)錨索選用d17.8mm×6 300mm、強(qiáng)度1 860MPa鋼絞線，配合使用400mm×400mm錨索托盤，每個(gè)錨索孔應(yīng)使用4支Z2350型樹脂錨固劑，要求錨索預(yù)緊力不低于100kN. 在二次幫拱加強(qiáng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，對(duì)巷幫L形區(qū)凸角處煤柱體實(shí)施高壓水射流沖孔卸壓，見圖4a). 其中，高壓水射流技術(shù)可在巷幫留設(shè)一定長度l1的保護(hù)帶，然后對(duì)巷幫深部高應(yīng)力煤體進(jìn)行高壓水射流旋轉(zhuǎn)割煤，利用孔內(nèi)返水將切割區(qū)域的煤體排出孔外，人為制造一定長度l2的大直徑卸壓空間(水射流段)，見圖4b).

圖4 沖擊地壓防治協(xié)同作用示意圖

根據(jù)705工作面工程地質(zhì)條件，應(yīng)用FLAC2D數(shù)值模擬軟件對(duì)錨網(wǎng)支護(hù)與錨索網(wǎng)支護(hù)進(jìn)行了研究，模擬結(jié)果見圖5a)、5b). 從應(yīng)力云圖5a)可知，錨網(wǎng)支護(hù)形成的壓縮拱厚度將近1.5 m，拱內(nèi)壓應(yīng)力約7.5×104Pa. 從應(yīng)力云圖5b)可知，對(duì)其進(jìn)行幫拱加強(qiáng)支護(hù)補(bǔ)償后，錨網(wǎng)索協(xié)同支護(hù)使得拱厚度增加至3 m，組合拱內(nèi)壓應(yīng)力增加至約1.0×105Pa. 可見，對(duì)705回風(fēng)巷原有錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償后，錨網(wǎng)索協(xié)同支護(hù)結(jié)構(gòu)大大提高了巷道圍巖的承載能力，在巷道周圍形成了一定范圍的強(qiáng)結(jié)構(gòu)區(qū)。在錨網(wǎng)索協(xié)同支護(hù)的基礎(chǔ)上，留設(shè)長度l1=5 m的保護(hù)帶，實(shí)施長度l2=15 m、d=300 mm的水射流鉆孔，應(yīng)力云圖如圖5c)，可見水射流鉆孔段形成的大直徑卸壓空間能夠使該區(qū)域內(nèi)煤體發(fā)生塑性形變，使煤體松散破碎，強(qiáng)度相對(duì)變低，且孔隙率相對(duì)增大，從而有效地釋放和轉(zhuǎn)移巷幫煤體中的高集中靜載荷，從而形成一定范圍的弱結(jié)構(gòu)區(qū)。該弱結(jié)構(gòu)區(qū)往外為未受采動(dòng)影響基本保持原始狀態(tài)的大范圍強(qiáng)結(jié)構(gòu)區(qū)。

圖5 數(shù)值模擬垂直應(yīng)力云圖

705工作面采取防治技術(shù)前后的效果圖見圖6. 從圖6b)可看出，針對(duì)工作面回風(fēng)巷超前區(qū)域采用錨網(wǎng)索支護(hù)+高壓水射流巷幫卸壓的基礎(chǔ)上，對(duì)圍巖破碎段施加U型支架被動(dòng)支護(hù)與之相補(bǔ)償，能夠很好地提高巷道圍巖的承載性能和防沖擊能力。

圖6 沖擊防治前后巷道效果圖

5 結(jié) 論

705工作面回風(fēng)巷超前區(qū)域凸角處煤柱體受高集中靜載荷作用，工作面采動(dòng)引起的動(dòng)力擾動(dòng)使煤柱體受動(dòng)靜載疊加影響，其失穩(wěn)破壞造成壓力型或沖擊(壓力)型兩類典型巷道沖擊破壞事故?；趧?dòng)靜載疊加條件下煤柱體失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓機(jī)制，探討了工作面上端頭沖擊破壞防治技術(shù)。錨網(wǎng)索支護(hù)+高壓水射流巷幫卸壓協(xié)同作用能夠降低實(shí)體煤幫凸角處內(nèi)高集中靜載荷，在巷道圍巖中形成強(qiáng)弱強(qiáng)三重防沖結(jié)構(gòu)，有效地削弱了動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊破壞的機(jī)率以及降低巷道的破壞程度。

[1] 賀 虎，竇林名，鞏思園,等.巷道防沖機(jī)理及支護(hù)控制研究[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27(1)：40-44．

[2] 李劍鋒，何 崗，國興福.深孔卸壓爆破控制沖擊地壓的機(jī)理及應(yīng)用[J]．煤炭科技，2008(1)：75-77．

[3] 張兆民.大直徑鉆孔卸壓機(jī)理及其合理參數(shù)研究[D]．青島：山東科技大學(xué)，2011．

[4] 高明仕.沖擊礦壓巷道圍巖的強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)控制機(jī)理研究[D]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2006．

[5] 康紅普，王金華，林 建.高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(12)：1233-1238．

Research and Application on Development Area of Return Airway Damage and Controlling Technology in Fully Mechanized Caving Face

YUE Pengfei

Based on the frequent occurrence of rock pressure in the development section of the No.705 fully mechanized top coal caving mining face in a mine, the failure mechanism of the development section roadway is analyzed, and the coordination controlling technology for the anchor and the high-pressure water injection are put forward. The numerical simulation results show that the co-control technique can effectively reduce the stress concentration in the top head of the working face with better effect. The research results provide some control theory, and is of certain significance for the improvement of the stability of the surrounding area of the return airway in the working face.

Development area; Mining effect; Collaborative control; Numerical simulation

2016-11-09

岳鵬飛(1989—)，男，山西祁縣人，2008年畢業(yè)于長治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助理工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)工作

(E-mail)zengqiang5@126.com

TD324

B

1672-0652(2017)01-0042-04