大斷面沿空碎裂煤巷工作面超前區域沖擊及控制技術研究

楊軍偉

(六盤水師范學院礦業工程系，貴州省六盤水市，553004)

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大斷面沿空碎裂煤巷工作面超前區域沖擊及控制技術研究

楊軍偉

(六盤水師范學院礦業工程系，貴州省六盤水市，553004)

基于寶積山礦705工作面巷超前區域沖擊顯現事件頻發的問題，本文從理論上對巷道發生沖擊事件進行了分析，并依據理論研究結果，提出了采取錨網索支護+高壓水射流巷幫卸壓的防治沖擊技術，數值模擬結果表明該方法能夠有效的降低巷道圍巖應力分布，現場應用效果良好。該研究成果為受采動等動壓擾動影響的巷道超前區域圍巖穩定性改善提供一定的控制理論和現場指導意義。

沖擊地壓 超前區域 巷道支護 錨索錨桿支護 高壓水射流 數值模擬

近年來，隨著綜采液壓支架的普及以及工作面支護強度的提高，沖擊地壓顯現多集中于巷道中。統計表明，75%以上的沖擊地壓事故發生于回采巷道中，特別是工作面0～80 m的超前區域支護范圍內。因此，針對具有沖擊地壓危險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域巷道沖擊顯現頻發為切入點，采用FLAC2D數值模擬軟件重點模擬分析了錨網支護、錨網索協同支護和錨網索支護+高壓水射流巷幫卸壓3個方案下巷道應力變化情況，提出了支護與卸壓協同作用防治沖擊地壓，并對協同作用條件下巷道圍巖應力場進行了數值模擬研究和工程驗證，旨在對受采動等動壓擾動影響的巷道超前區域圍巖穩定性改善提供理論和現場指導。

1 工程概況

寶積山煤礦705工作面位于礦井東翼，該工作面現處于回采中，其上部的703、701工作面已開采結束，下部為707工作面原始煤層。705綜放工作面平均開采深度達到590 m左右，工作面內0.5～2 m落差的小斷層較為發育，對回采構成局部影響，開切眼布置在F10斷層以西，對回采不夠成影響，而西部Fa斷層落差較大，隨著工作面與其距離的縮短，對工作面回采影響逐漸變大。

705工作面主采1#煤層，煤層結構單一，平均煤層厚度為10.78 m，平均傾角為26°，容重為1.40 t/m3，堅固性系數為1.3～1.5。705綜放工作面采掘巷道平面位置如圖1所示。

2 沖擊發生情況及原因分析

705工作面兩巷掘進期間均未出現礦壓、動壓顯現，截至2013年11月份，監測到705工作面回采過程中發生嚴重的沖擊顯現5次，沖擊事件結果統計結果見表1，705工作面推進位置及沖擊地壓顯現位置分布情況如圖2所示。

圖1 705工作面回采巷道布置

表1 705綜放工作面沖擊事件統計

圖2 705工作面推進位置及沖擊顯現位置分布

由表1和圖2可以看出，歷次沖擊顯現位置隨著705綜放工作面回采有規律的動態前移，且發生地點多集中在回風巷；5次沖擊顯現中第1、4、5次沖擊顯現更為嚴重。

由圖2可知，自2013年6月705綜放工作面開切眼回采以來，截至2013年11月底，在所發生的5次嚴重沖擊顯現中，第1次沖擊顯現工作面所處位置已進入一次見方影響區，受到頂板大面積活動的影響；第2次沖擊顯現預計受到鄰近采空區形成的側向支承壓力的疊加影響作用；第3次沖擊顯現工作面所有支架壓力增大，預計為隨著工作面推進，采空區上覆巖層活動加劇，大面積跨落、斷裂誘發來壓；第4次沖擊顯現工作面處于二次見方位置，且工作面停產6天，受工作面恢復生產的開采擾動影響及二次見方期間頂板大面積活動影響；第5次沖擊顯現期間礦壓數據無明顯異常，說明這次沖擊顯現與頂板活動無關，預計是受704工作面停采煤柱、小斷層疊加擾動的影響。

3 沖擊事件力學機理分析

深部井田采掘過程中，基于動靜載荷疊加擾動原理，煤體易受到靜載力源場和動載力源場疊加擾動影響。靜載荷主要由自重應力、構造應力以及采掘過程中形成的采動支承壓力組成。動載荷主要由煤巖體破裂、破斷或者斷層滑移失穩造成積聚在煤巖體中的彈性能以震動應力波的形式向周圍空間釋放，從而對傳播介質形成動力擾動。由于力具有方向性，因此動靜載荷以矢量的形式作用于煤巖體上，煤巖體所受動靜載荷疊加可用式(1)表示：

(1)

典型巷幫沖擊地壓破壞模式如圖3所示。由圖3可知，705工作面采礦活動引起的動載荷與之疊加，易發生壓力型與沖擊(壓力)型兩類典型的巷幫沖擊地壓。煤柱體在一定側向圍壓的條件下，破壞前所積聚的彈性應變能要高于零圍壓的條件，破壞時將釋放更多的彈性能，對巷道造成更加強烈的破壞。巷道L型區凸角處煤柱體受支承壓力疊加的作用，處于較高的集中靜載荷狀態。

4 工作面超前區域沖擊地壓防治模擬

705工作面回風巷凈斷面為4.8 m×3.6 m，一次錨網支護選用?22 mm×3000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為0.8 m×0.8 m，每個錨桿孔使用2支Z2350型樹脂錨固劑。兩幫底角錨桿向下扎角15°，錨桿預緊力矩不小于300 N·m。二次幫拱加強支護錨索選用?17.8 mm×6300 mm、強度為1860 MPa的鋼絞線，配合使用400 mm×400 mm錨索托盤，每個錨索孔使用4支Z2350型樹脂錨固劑，要求錨索預緊力不低于100 kN。

沖擊地壓防治協同作用方案和示意圖如圖4所示。由圖4可知，在二次幫拱加強支護的基礎上，對巷幫L型區凸角處煤柱體實施高壓水射流沖孔卸壓。其中，高壓水射流技術可在巷幫留設長度為l1的保護帶，然后對巷幫深部高應力煤體進行高壓水射流旋轉割煤，利用孔內返水將切割區域的煤體排出孔外，人為制造長度為l2的大直徑卸壓空間(水射流段)。

圖3 典型巷幫沖擊地壓示意圖

圖4 沖擊地壓防治協同作用示意圖

根據該礦705工作面具體工程地質條件，應用FLAC2D數值模擬軟件建立數值模型，對錨網支護與錨索網支護進行了模擬研究。模型尺寸為100 m×85 m×60 m，模型中巷道尺寸為4.8 m×3.6 m。參照井上下對照圖可知模型頂部距地表565 m，在模型上部邊界施加14.13 MPa的均布載荷，模型左右兩側邊界施加水平約束，底部邊界施加垂直約束，重力加速度取9.8 m/s2。根據現場所取煤巖樣在實驗室測定的物理力學參數，模型的巖性參數見表2。

表2 巷道圍巖力學特性參數

數值模擬垂直應力云圖如圖5所示。

圖5 數值模擬垂直應力云圖

由圖5(a)可知，錨網支護形成的壓縮拱厚度將近1.5 m，拱內壓應力約為75 kPa；由圖5(b)可知，進行幫拱加強支護補償后，錨網索協同支護使拱厚度增加至3 m，組合拱內壓應力增加至約100 kPa。由此可見，對705回風巷原有錨網支護結構進行結構補償后，錨網索支護結構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結構區。在錨網索支護的基礎上，留設長度l1=5 m的保護帶，實施長度l2=15 m、直徑D=300 mm的水射流鉆孔，得到圖5(c)。由圖5(c)可知，水射流鉆孔段形成的大直徑卸壓空間能夠使該區域內煤體發生塑性形變，使煤體松散破碎，強度相對變低，孔隙率相對增大，從而有效地釋放和轉移巷幫煤體中高度集中的靜載荷，從而形成一定范圍的弱結構區。

5 工程實例

通過圍巖雙十字法觀測得到的圍巖表面位移變化如圖6所示。由圖6可知，兩幫(中)和兩幫(底)相對位移移近量較小，當圍巖變形穩定后，圍巖兩幫相對移近量約為60 mm；而頂底板相對移近量相較兩幫要大很多。觀測80 d后，頂底板移近量高達140 mm。通過現場勘查得知，其主要來自底板變形。現場礦壓觀測結果表明，協同支護能夠很好地起到對幫部集中應力的轉移和釋放，從而有效地控制巷幫圍巖的變形。雖然沒有對底板采取任何治理措施，但頂底板相對移近量處于可控范圍內，這說明該協同支護方案能夠有效控制工作面超前段巷道圍巖的穩定性。

圖6 圍巖表面相對移近量

705工作面采取防治技術前后效果如圖7所示。

圖7 沖擊防治前后巷道效果圖

由圖7可知，在工作面上端頭L型區采用錨網索支護+高壓水射流巷幫卸壓的基礎上，對圍巖破碎段施加U型支架被動支護與之相補償，能夠很好地提高巷道圍巖的承載性能和防沖擊能力。

6 結論

(1)705工作面上端頭L型區凸角處煤柱體受高集中靜載荷作用，工作面采動引起的動力擾動使煤柱體受動靜載疊加影響，其失穩破壞造成壓力型或沖擊(壓力)型兩類典型巷幫沖擊地壓。

(2)錨網索支護+高壓水射流巷幫卸壓協同作用能夠降低實體煤幫L型區內高集中靜載荷，在巷道圍巖中形成強弱強三重防沖結構，有效地削弱了動靜載疊加誘發沖擊地壓的機率以及降低沖擊顯現對巷道的破壞程度。

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(責任編輯 陶 賽)

Research on rock burst at advanced area of large section along gob in coal roadway and its control technology

Yang Junwei

(Mining Engineering Department, Liupanshui Normal University, Liupanshui, Guizhou 553004, China)

Rock burst incidents appeared frequently at Baojishan Mine's 705 working face. This paper theoretically analyzed these events, and based on the theory of research results, proposed to take pressure relief control technology such as cable anchor support and high-pressure water jet. The numerical simulation results and field application effect showed that this method could effectively reduce the surrounding rock stress distribution. The results provided certain control theories and field guidance for the improvement of the stability of surrounding rock of roadway under the influence of mining-induced dynamic pressure disturbance.

rock burst, advanced area, roadway support, cable and anchor support, high pressure water jet, numerical simulation

貴州省高校優秀科技創新人才支持計劃(黔教合KY字〔2015〕510號)，貴州省教育廳采礦工程特色重點學科(黔學位辦〔2015〕26號)

楊軍偉. 大斷面沿空碎裂煤巷工作面超前區域沖擊及控制技術研究 [J]. 中國煤炭，2017，43(2)：48-51，67. Yang Junwei. Research on rock burst at advanced area of large section along gob in coal roadway and its control technology [J]. China Coal，2017，43(2)：48-51，67.

TD713

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楊軍偉(1984-)，男，甘肅景泰人，副教授，從事煤礦及爆破方面的教學與研究工作。