鄰近采空區(qū)工作面上端頭礦壓顯現(xiàn)及控制技術(shù)

李常浩，王 羽

(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限公司，山西 長治 046103)

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鄰近采空區(qū)工作面上端頭礦壓顯現(xiàn)及控制技術(shù)

李常浩，王 羽

(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限公司，山西 長治 046103)

以余吾礦N2105工作面回采過程中沿空巷道礦壓顯現(xiàn)頻發(fā)為工程背景，基于動靜載疊加機(jī)理，分析了工作面上端頭煤巖體失穩(wěn)破壞誘發(fā)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理，提出了采用一次錨網(wǎng)支護(hù)與錨網(wǎng)索支護(hù)+高壓水射流巷幫卸壓協(xié)同控制兩種方案。數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測結(jié)果表明，錨網(wǎng)索支護(hù)+高壓水射流巷幫卸壓協(xié)同防治能夠在上端頭處巷道圍巖中形成強(qiáng)弱強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，對圍巖穩(wěn)定性改善以及礦壓防治有很好的效果。

鄰近采空區(qū)；上端頭；礦壓顯現(xiàn)；動靜載疊加；錨網(wǎng)索支護(hù)+高壓水射流；數(shù)值模擬

近年來，隨著綜采液壓機(jī)械化水平的提高，工作面支護(hù)強(qiáng)度不斷提高，沖擊地壓顯現(xiàn)地點由工作面向巷道中轉(zhuǎn)移。研究統(tǒng)計表明，75%以上的沖擊地壓事故發(fā)生于回采工作面兩邊的巷道中，特別是超前工作面0～80 m的支護(hù)區(qū)域內(nèi)[1-3]. 因此，針對具有礦壓顯現(xiàn)危險的巷道控制研究成為重要課題之一[4，5].

1 工程概況

余吾礦北風(fēng)井東翼采區(qū)5條上山煤層大巷呈東西方向布置，大巷從北向南依次為：1#回風(fēng)大巷、輔助運輸大巷、膠帶大巷、進(jìn)風(fēng)大巷和2#回風(fēng)大巷。煤層大巷群所處煤層厚度6.25 m，平均傾角+4°，煤層上部為半亮型，內(nèi)生裂隙發(fā)育，較為脆硬，煤層下部為褐黑色，為粉狀煤，較為松軟，3#煤層整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)生裂隙發(fā)育。基本頂以細(xì)粒砂巖為主，平均厚度4.3 m，直接頂為泥巖，平均厚度2.63 m，直接底為泥巖，平均厚度2.3 m，基本底為細(xì)粒砂巖，平均厚度3.4 m. 大巷群沿3#煤層底板掘進(jìn)，巷道寬4.8 m，高4.0 m，各條煤層大巷間留設(shè)煤柱寬度30 m，屬密集巷道群布置。巷道群布置方式見圖1.

2 沖擊發(fā)生情況及原因分析

2.1 底板沖擊實例

N2105工作面回采至褶曲構(gòu)造區(qū)時，進(jìn)風(fēng)平巷底板出現(xiàn)多處底鼓變形，使得原本水泥硬化處理過的巷道底板破壞嚴(yán)重，見圖2a). 嚴(yán)重的地方甚至發(fā)生底板沖擊地壓，造成底板煤巖體瞬間向巷道空間內(nèi)彈出，見圖2b). 同時，布置于進(jìn)風(fēng)平巷中的瓦斯抽放等管路受到底板變形破壞影響，會造成管路的破損和泄露，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致瓦斯爆炸事故的發(fā)生，對礦井的安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅。

N2105進(jìn)風(fēng)平巷兩次底板沖擊地壓事故發(fā)生位置及破壞影響范圍見圖3. 由圖3a)可知，第一次底板沖擊地壓發(fā)生時，工作面大致推進(jìn)至里程1 700 m處，沖擊顯現(xiàn)范圍從超前工作面煤壁95 m處開始，在進(jìn)風(fēng)平巷里程1 800～2 000 m多處發(fā)生了嚴(yán)重的底鼓破壞。由圖3b)可知，第二次底板沖擊地壓發(fā)生時，工作面大致推進(jìn)至里程1 450 m處，沖擊顯現(xiàn)范圍從超前工作面煤壁222.5 m處開始，在進(jìn)風(fēng)平巷里程1 700～1 800 m多處發(fā)生了嚴(yán)重的底鼓破壞。

2.2 動靜載疊加機(jī)理

基于竇林名團(tuán)隊[6，7]提出的動靜載疊加組合誘發(fā)沖擊機(jī)理，煤巖體易在高集中靜載力源場和動載力源場疊加作用影響下失穩(wěn)破壞。煤巖體受動靜載疊加組合誘發(fā)沖擊地壓可用公式(1)表示：

σj+σd≥σbmin

(1)

圖1 N2105工作面與大巷布置平面圖

圖2 N2105進(jìn)風(fēng)平巷底板破壞圖

式中：

σj—煤巖體中的靜載荷,kN；

σd—礦震形成的動載荷,kN；

σbmin—發(fā)生沖擊地壓時的極限載荷,kN.

受N2105工作面超前支承壓力和鄰近采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加影響，容易在工作面靠近回風(fēng)巷側(cè)的上端頭處形成高集中靜載荷，見圖4a). 隨著工作面的回采，當(dāng)上覆巖層頂板大面積破斷或工作面內(nèi)的小斷層構(gòu)造活化等產(chǎn)生強(qiáng)烈動載擾動，動載擾動以彈性波的形式傳播到工作面附近，與上端頭處的高集中靜載荷疊加組合，就容易造成煤巖體失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓，見圖4b)、4c).

圖3 兩次底板沖擊顯現(xiàn)位置平面圖

圖4 沖擊地壓機(jī)理圖

由于現(xiàn)代綜采設(shè)備機(jī)械化程度的提高，工作面發(fā)生礦壓顯現(xiàn)的幾率不斷降低，因為沖擊顯現(xiàn)位置多集中于巷道中。在上端頭處煤體中形成較高的集中靜載荷，高集中靜載荷在動靜載疊加組合誘沖中起到主要作用。

3 上端頭協(xié)同控制技術(shù)

3.1 協(xié)同作用

N2105工作面沿空巷道錨網(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[8，9]. 在二次幫拱加強(qiáng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，對巷幫上端頭凸角處煤柱體實施高壓水射流沖孔卸壓，見圖5a). 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5b).

圖5 沖擊地壓防治協(xié)同作用示意圖

3.2 靜載數(shù)值模擬

根據(jù)N2105工作面工程地質(zhì)條件，應(yīng)用FLAC2D數(shù)值模擬軟件對錨網(wǎng)支護(hù)與錨索網(wǎng)支護(hù)進(jìn)行了模擬研究，模擬結(jié)果見圖6a)、6b). 從應(yīng)力云圖6a)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6b)可知，對其進(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N2015沿空巷道原有錨網(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，實施長度l2=15 m、直徑D=300 mm的水射流鉆孔，應(yīng)力云圖見圖6c)，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)度相對變低，且孔隙率相對增大，從而有效的釋放和轉(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)往外為未受采動影響基本保持原始狀態(tài)的大范圍強(qiáng)結(jié)構(gòu)區(qū)。

圖6 數(shù)值模擬垂直應(yīng)力云圖

3.3 動載擾動數(shù)值模擬

在靜載模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，在巷道弱結(jié)構(gòu)區(qū)外施加一動載震動源，本次模擬震源位置依據(jù)現(xiàn)場微震監(jiān)系統(tǒng)[8，9]監(jiān)測到的107J的大能量事件中最大一次的具體坐標(biāo)確定。震源形式采用剪切波，震動主頻率f=50 Hz，震動能量E=4.55×107J，施加于巷道頂板上方50 m位置處。通過在巷道兩幫中部表面布置監(jiān)測點，對比監(jiān)測只采用一次錨網(wǎng)支護(hù)(方案一)和錨網(wǎng)索支護(hù)+高壓水射流巷幫卸壓協(xié)同防治(方案二)兩種方案時兩幫應(yīng)力和位移變化情況，見圖7.

圖7 動靜載疊加組合數(shù)值模擬圖

由圖7可知，動靜載疊加組合作用下，對沿空巷道實施方案一后，幫部受到15.6 MPa的載荷，且瞬間產(chǎn)生一個位移增幅，瞬間位移量可達(dá)245 mm；實施方案二后，幫部受到9.1 MPa的載荷，位移量波動較小，最大值不超過160 mm. 由此可知，錨網(wǎng)索支護(hù)+高壓水射流巷幫卸壓協(xié)同防治(方案二)能夠有效地防治巷道沖擊地壓的發(fā)生。

4 結(jié) 論

N2105工作面鄰近采空區(qū)的沿空巷道上端頭煤巖體受高集中靜載荷作用，工作面回采引起的動力擾動使煤巖體受動靜載疊加組合影響，造成其失穩(wěn)破壞誘發(fā)沖擊地壓。

基于動靜載疊加組合條件下煤巖體失穩(wěn)誘發(fā)沖擊機(jī)理，探討研究了沿空巷道沖擊地壓防治技術(shù)。數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測結(jié)果表明，錨網(wǎng)索支護(hù)+高壓水射流巷幫卸壓協(xié)同防治能夠有效降低動靜載疊加組合誘發(fā)巷道沖擊的幾率以及降低沖擊顯現(xiàn)對巷道的破壞程度。

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Strata Behavior and Control Technique of Upper Head in Working Face Adjacent Goaf

LI Changhao, WANG Yu

Based on the dynamic and static loading superposition mechanism, take the Yuwu coal mine as the studying case, the mechanism of rock and coal induced pressure by the failure of the upper and lower head in the working face is analyzed, and the paper puts forward two program, the method of anchor-cable net support and anchor-cable net support plus high-pressure water jetting. The results of numerical simulation and field measurement show that the combined method can form strong and weak and strong again structure in the surrounding rock of the upper head, the stability of surrounding rock improved, also it is conducive for pressure prevention and controlling.

Adjacent goaf; Upper face end; Strata behavior; Dynamic and static load superposition; Anchor net support+high pressure water jet; Numerical simulation

2017-02-02

李常浩(1986—)，男，山西長治人，2014年畢業(yè)于揚(yáng)州大學(xué)，碩士研究生，助理工程師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)方面的工作

(E-mail)458368559@qq.com

TD324

B

1672-0652(2017)03-0008-04