綜放工作面回風巷超前段破壞及控制技術

岳鵬飛

(山西馬堡煤業有限公司，山西 武鄉 046300)

·試驗研究·

綜放工作面回風巷超前段破壞及控制技術

岳鵬飛

(山西馬堡煤業有限公司，山西 武鄉 046300)

基于某礦705綜放工作面回采過程中回風巷超前段礦壓顯現頻發難題，分析了超前段巷道破壞機理，提出采取錨網索支護+高壓水射流巷幫卸壓的協同控制技術。數值模擬結果表明，該協同控制技術能夠有效降低工作面上端頭煤體中的應力集中現象，且現場應用效果良好。研究成果為回采工作面回風巷超前區域圍巖穩定性改善提供了一定的控制理論和現場指導意義。

超前區域；采動影響；協同控制；數值模擬

近年來，隨著綜采液壓支架的普及，工作面支護強度的提高，沖擊地壓顯現多集中于巷道中。研究統計表明，75%以上的沖擊地壓事故發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種不同方案下巷道應力變化情況，基于此，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及工程驗證，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一定的控制理論和現場指導意義。

1 工程概況

某礦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工作面已回采結束。705綜放工作面平均開采深度達590 m左右，開切眼布置在Fa斷層以東。705工作面主采1號煤層，煤層結構單一，煤厚較為穩定，平均煤厚10.78 m，平均傾角26°，容重1.40 t/m3，堅固性系數為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 沖擊發生情況及原因分析

705綜放工作面兩順槽掘進期間均未出現礦壓、動壓顯現，截止2013年11月，監測到705工作面回采過程中已發生的沖擊顯現中，嚴重的沖擊顯現有5次，沖擊事件結果統計見表1，705工作面推進位置及沖擊地壓顯現位置分布情況見圖2.

由表1和圖2可以看出：1) 歷次沖擊顯現位置隨著705綜放工作面回采有規律地動態前移，且發生地點多集中在回風巷。2) 5次沖擊顯現中又以第1、3和4次沖擊顯現更為嚴重。

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，截止當年11月30日，所發生的5次嚴重的沖擊顯現中，第1次(07-18)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(09-10)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(10-07)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4次(11-23)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，預計受704工作面停采煤柱、小斷層疊加擾動的影響。

表1 705綜放工作面沖擊事件統計表

圖2 705工作面推進位置及沖擊顯現位置分布圖

3 沖擊發生力學機理分析

深部井田采掘過程中，基于動靜載疊加擾動原理，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側向支承壓力疊加作用影響，處于較高的集中靜載荷狀態，工作面回采引起的頂板破斷等動力擾動易誘發巷道沖擊破壞，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域防治

705工作面回風巷凈斷面為4.8m×3.6m，一次錨網支護選用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，錨桿預緊力矩不小于300N·m. 二次幫拱加強支護錨索選用d17.8mm×6 300mm、強度1 860MPa鋼絞線，配合使用400mm×400mm錨索托盤，每個錨索孔應使用4支Z2350型樹脂錨固劑，要求錨索預緊力不低于100kN. 在二次幫拱加強支護的基礎上，對巷幫L形區凸角處煤柱體實施高壓水射流沖孔卸壓，見圖4a). 其中，高壓水射流技術可在巷幫留設一定長度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 沖擊地壓防治協同作用示意圖

根據705工作面工程地質條件，應用FLAC2D數值模擬軟件對錨網支護與錨索網支護進行了研究，模擬結果見圖5a)、5b). 從應力云圖5a)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7.5×104Pa. 從應力云圖5b)可知，對其進行幫拱加強支護補償后，錨網索協同支護使得拱厚度增加至3 m，組合拱內壓應力增加至約1.0×105Pa. 可見，對705回風巷原有錨網支護結構進行結構補償后，錨網索協同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。在錨網索協同支護的基礎上，留設長度l1=5 m的保護帶，實施長度l2=15 m、d=300 mm的水射流鉆孔，應力云圖如圖5c)，可見水射流鉆孔段形成的大直徑卸壓空間能夠使該區域內煤體發生塑性形變，使煤體松散破碎，強度相對變低，且孔隙率相對增大，從而有效地釋放和轉移巷幫煤體中的高集中靜載荷，從而形成一定范圍的弱結構區。該弱結構區往外為未受采動影響基本保持原始狀態的大范圍強結構區。

圖5 數值模擬垂直應力云圖

705工作面采取防治技術前后的效果圖見圖6. 從圖6b)可看出，針對工作面回風巷超前區域采用錨網索支護+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。

圖6 沖擊防治前后巷道效果圖

5 結 論

705工作面回風巷超前區域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)型兩類典型巷道沖擊破壞事故。基于動靜載疊加條件下煤柱體失穩誘發沖擊地壓機制，探討了工作面上端頭沖擊破壞防治技術。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凸角處內高集中靜載荷，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破壞的機率以及降低巷道的破壞程度。

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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年畢業于長治職業技術學院，助理工程師，主要從事煤礦生產技術工作

(E-mail)zengqiang5@126.com

TD324

B

1672-0652(2017)01-0042-04