楊軍偉

(六盤水師范學(xué)院礦業(yè)工程系，貴州省六盤水市，553004)

★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

大斷面沿空碎裂煤巷工作面超前區(qū)域沖擊及控制技術(shù)研究

楊軍偉

(六盤水師范學(xué)院礦業(yè)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(qū)域沖擊顯現(xiàn)事件頻發(fā)的問題，本文從理論上對(duì)巷道發(fā)生沖擊事件進(jìn)行了分析，并依據(jù)理論研究結(jié)果，提出了采取錨網(wǎng)索支護(hù)+高壓水射流巷幫卸壓的防治沖擊技術(shù)，數(shù)值模擬結(jié)果表明該方法能夠有效的降低巷道圍巖應(yīng)力分布，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。該研究成果為受采動(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)場指導(dǎo)意義。

沖擊地壓 超前區(qū)域 巷道支護(hù) 錨索錨桿支護(hù) 高壓水射流 數(shù)值模擬

近年來，隨著綜采液壓支架的普及以及工作面支護(hù)強(qiáng)度的提高，沖擊地壓顯現(xiàn)多集中于巷道中。統(tǒng)計(jì)表明，75%以上的沖擊地壓事故發(fā)生于回采巷道中，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個(gè)方案下巷道應(yīng)力變化情況，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)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究和工程驗(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)定性改善提供理論和現(xiàn)場指導(dǎo)。

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(xiàn)處于回采中，其上部的703、701工作面已開采結(jié)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(dá)到590 m左右，工作面內(nèi)0.5～2 m落差的小斷層較為發(fā)育，對(duì)回采構(gòu)成局部影響，開切眼布置在F10斷層以西，對(duì)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(duì)工作面回采影響逐漸變大。

705工作面主采1#煤層，煤層結(jié)構(gòu)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(jiān)固性系數(shù)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(fā)生情況及原因分析

705工作面兩巷掘進(jìn)期間均未出現(xiàn)礦壓、動(dòng)壓顯現(xiàn)，截至2013年11月份，監(jiān)測到705工作面回采過程中發(fā)生嚴(yán)重的沖擊顯現(xiàn)5次，沖擊事件結(jié)果統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表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(tǒng)計(jì)

圖2 705工作面推進(jìn)位置及沖擊顯現(xiàn)位置分布

由表1和圖2可以看出，歷次沖擊顯現(xiàn)位置隨著705綜放工作面回采有規(guī)律的動(dòng)態(tài)前移，且發(fā)生地點(diǎn)多集中在回風(fēng)巷；5次沖擊顯現(xiàn)中第1、4、5次沖擊顯現(xiàn)更為嚴(yán)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(fā)生的5次嚴(yán)重沖擊顯現(xiàn)中，第1次沖擊顯現(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次沖擊顯現(xiàn)工作面所有支架壓力增大，預(yù)計(jì)為隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層活動(dòng)加劇，大面積跨落、斷裂誘發(fā)來壓；第4次沖擊顯現(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5次沖擊顯現(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)是受704工作面停采煤柱、小斷層疊加擾動(dòng)的影響。

3 沖擊事件力學(xué)機(jī)理分析

深部井田采掘過程中，基于動(dòng)靜載荷疊加擾動(dòng)原理，煤體易受到靜載力源場和動(dòng)載力源場疊加擾動(dòng)影響。靜載荷主要由自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以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(dòng)引起的動(dòng)載荷與之疊加，易發(fā)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(cè)向圍壓的條件下，破壞前所積聚的彈性應(yīng)變能要高于零圍壓的條件，破壞時(shí)將釋放更多的彈性能，對(duì)巷道造成更加強(qiáng)烈的破壞。巷道L型區(qū)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(tài)。

4 工作面超前區(qū)域沖擊地壓防治模擬

705工作面回風(fēng)巷凈斷面為4.8 m×3.6 m，一次錨網(wǎng)支護(hù)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(gè)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(yù)緊力矩不小于300 N·m。二次幫拱加強(qiáng)支護(hù)錨索選用?17.8 mm×6300 mm、強(qiáng)度為1860 MPa的鋼絞線，配合使用400 mm×400 mm錨索托盤，每個(gè)錨索孔使用4支Z2350型樹脂錨固劑，要求錨索預(yù)緊力不低于100 kN。

沖擊地壓防治協(xié)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(qiáng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，對(duì)巷幫L型區(qū)凸角處煤柱體實(shí)施高壓水射流沖孔卸壓。其中，高壓水射流技術(shù)可在巷幫留設(shè)長度為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(xié)同作用示意圖

根據(jù)該礦705工作面具體工程地質(zhì)條件，應(yīng)用FLAC2D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，對(duì)錨網(wǎng)支護(hù)與錨索網(wǎng)支護(hù)進(jìn)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(duì)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(cè)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(jù)現(xiàn)場所取煤巖樣在實(shí)驗(yàn)室測定的物理力學(xué)參數(shù)，模型的巖性參數(shù)見表2。

表2 巷道圍巖力學(xué)特性參數(shù)

數(shù)值模擬垂直應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬垂直應(yīng)力云圖

由圖5(a)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)力約為75 kPa；由圖5(b)可知，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)使拱厚度增加至3 m，組合拱內(nèi)壓應(yīng)力增加至約100 kPa。由此可見，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、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(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，孔隙率相對(duì)增大，從而有效地釋放和轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)區(qū)。

5 工程實(shí)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(duì)位移移近量較小，當(dāng)圍巖變形穩(wěn)定后，圍巖兩幫相對(duì)移近量約為60 mm；而頂?shù)装逑鄬?duì)移近量相較兩幫要大很多。觀測80 d后，頂?shù)装逡平扛哌_(dá)140 mm。通過現(xiàn)場勘查得知，其主要來自底板變形?，F(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果表明，協(xié)同支護(hù)能夠很好地起到對(duì)幫部集中應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和釋放，從而有效地控制巷幫圍巖的變形。雖然沒有對(duì)底板采取任何治理措施，但頂?shù)装逑鄬?duì)移近量處于可控范圍內(nèi)，這說明該協(xié)同支護(hù)方案能夠有效控制工作面超前段巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖6 圍巖表面相對(duì)移近量

705工作面采取防治技術(shù)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(qū)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。

6 結(jié)論

(1)705工作面上端頭L型區(qū)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)型兩類典型巷幫沖擊地壓。

(2)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L型區(qū)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)沖擊地壓的機(jī)率以及降低沖擊顯現(xiàn)對(duì)巷道的破壞程度。

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(責(zé)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(yōu)秀科技創(chuàng)新人才支持計(jì)劃(黔教合KY字〔2015〕510號(hào))，貴州省教育廳采礦工程特色重點(diǎn)學(xué)科(黔學(xué)位辦〔2015〕26號(hào))

楊軍偉. 大斷面沿空碎裂煤巷工作面超前區(qū)域沖擊及控制技術(shù)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(xué)與研究工作。