综放工作面回风巷超前段破坏及控制技术

岳鹏飞

(山西马堡煤业有限公司，山西 武乡 046300)

·试验研究·

综放工作面回风巷超前段破坏及控制技术

岳鹏飞

(山西马堡煤业有限公司，山西 武乡 046300)

基于某矿705综放工作面回采过程中回风巷超前段矿压显现频发难题，分析了超前段巷道破坏机理，提出采取锚网索支护+高压水射流巷帮卸压的协同控制技术。数值模拟结果表明，该协同控制技术能够有效降低工作面上端头煤体中的应力集中现象，且现场应用效果良好。研究成果为回采工作面回风巷超前区域围岩稳定性改善提供了一定的控制理论和现场指导意义。

超前区域；采动影响；协同控制；数值模拟

近年来，随着综采液压支架的普及，工作面支护强度的提高，冲击地压显现多集中于巷道中。研究统计表明，75%以上的冲击地压事故发生于回采工作面的两道顺槽中，特别是工作面0～80 m的超前区域支护范围内。因此，针对具有冲击地压危险巷道的防冲研究成为亟待解决的重要课题之一。

本文以工作面超前区域巷道冲击显现频发为切入点，采用FLAC2D数值模拟软件重点模拟分析了锚网支护、锚网索协同支护和锚网索支护+高压水射流巷帮卸压3种不同方案下巷道应力变化情况，基于此，提出了支护与卸压协同作用防治冲击地压，并对协同作用条件下巷道围岩应力场进行了数值模拟研究及工程验证，旨在对受采动等动压扰动影响的巷道超前区域围岩稳定性改善提供一定的控制理论和现场指导意义。

1 工程概况

某矿705工作面位于矿井东翼，该工作面现处于回采中，其上部的703工作面已回采结束。705综放工作面平均开采深度达590 m左右，开切眼布置在Fa断层以东。705工作面主采1号煤层，煤层结构单一，煤厚较为稳定，平均煤厚10.78 m，平均倾角26°，容重1.40 t/m3，坚固性系数为1.3～1.5，综放开采。705综放工作面采掘工程平面位置见图1.

图1 705工作面回采巷道布置图

2 冲击发生情况及原因分析

705综放工作面两顺槽掘进期间均未出现矿压、动压显现，截止2013年11月，监测到705工作面回采过程中已发生的冲击显现中，严重的冲击显现有5次，冲击事件结果统计见表1，705工作面推进位置及冲击地压显现位置分布情况见图2.

由表1和图2可以看出：1) 历次冲击显现位置随着705综放工作面回采有规律地动态前移，且发生地点多集中在回风巷。2) 5次冲击显现中又以第1、3和4次冲击显现更为严重。

从图2可知，自2013年6月26日705综放工作面开切眼回采以来，截止当年11月30日，所发生的5次严重的冲击显现中，第1次(07-18)冲击显现工作面所处位置已进入一次见方影响区，受到顶板大面积活动的影响。第2次(09-10)冲击显现预计受到邻近采空区形成的侧向支承压力的叠加影响作用。第3次(10-07)冲击显现工作面处于二次见方位置，且工作面停产6天，受工作面恢复生产的开采扰动影响及二次见方期间顶板大面积活动影响。第4次(11-23)冲击显现期间矿压数据无明显异常，说明这次冲击显现与顶板活动无关，预计受704工作面停采煤柱、小断层叠加扰动的影响。

表1 705综放工作面冲击事件统计表

图2 705工作面推进位置及冲击显现位置分布图

3 冲击发生力学机理分析

深部井田采掘过程中，基于动静载叠加扰动原理，煤体易受到静载力源场和动载力源场叠加扰动影响。静载荷主要由自重应力、构造应力及采掘过程中形成的采动支承压力组成。动载荷主要由煤岩体破裂、破断或者断层滑移失稳造成积聚在煤岩体中的弹性能以震动应力波的形式向周围空间释放，从而对传播介质形成动力扰动。由于力具有方向性，因此动静载荷以矢量的形式作用于煤岩体上，煤岩体所受动静载荷叠加可用公式(1)表示：

(1)

式中：

工作面上端头L形凸角处煤体受超前支承压力和采空区侧向支承压力叠加作用影响，处于较高的集中静载荷状态，工作面回采引起的顶板破断等动力扰动易诱发巷道冲击破坏，巷道主要破坏形式可分为压力型与冲击(压力)型两类典型的巷帮冲击破坏，见图3.

图3 典型巷道冲击破坏事故图

4 工作面上端头超前区域防治

705工作面回风巷净断面为4.8m×3.6m，一次锚网支护选用d22mm×3 000mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为0.8m×0.8m，每个锚杆孔应使用2支Z2350型树脂锚固剂，锚杆锚固长度约1.76m，两帮底角锚杆向下扎角15°，辅助控制底鼓，锚杆预紧力矩不小于300N·m. 二次帮拱加强支护锚索选用d17.8mm×6 300mm、强度1 860MPa钢绞线，配合使用400mm×400mm锚索托盘，每个锚索孔应使用4支Z2350型树脂锚固剂，要求锚索预紧力不低于100kN. 在二次帮拱加强支护的基础上，对巷帮L形区凸角处煤柱体实施高压水射流冲孔卸压，见图4a). 其中，高压水射流技术可在巷帮留设一定长度l1的保护带，然后对巷帮深部高应力煤体进行高压水射流旋转割煤，利用孔内返水将切割区域的煤体排出孔外，人为制造一定长度l2的大直径卸压空间(水射流段)，见图4b).

图4 冲击地压防治协同作用示意图

根据705工作面工程地质条件，应用FLAC2D数值模拟软件对锚网支护与锚索网支护进行了研究，模拟结果见图5a)、5b). 从应力云图5a)可知，锚网支护形成的压缩拱厚度将近1.5 m，拱内压应力约7.5×104Pa. 从应力云图5b)可知，对其进行帮拱加强支护补偿后，锚网索协同支护使得拱厚度增加至3 m，组合拱内压应力增加至约1.0×105Pa. 可见，对705回风巷原有锚网支护结构进行结构补偿后，锚网索协同支护结构大大提高了巷道围岩的承载能力，在巷道周围形成了一定范围的强结构区。在锚网索协同支护的基础上，留设长度l1=5 m的保护带，实施长度l2=15 m、d=300 mm的水射流钻孔，应力云图如图5c)，可见水射流钻孔段形成的大直径卸压空间能够使该区域内煤体发生塑性形变，使煤体松散破碎，强度相对变低，且孔隙率相对增大，从而有效地释放和转移巷帮煤体中的高集中静载荷，从而形成一定范围的弱结构区。该弱结构区往外为未受采动影响基本保持原始状态的大范围强结构区。

图5 数值模拟垂直应力云图

705工作面采取防治技术前后的效果图见图6. 从图6b)可看出，针对工作面回风巷超前区域采用锚网索支护+高压水射流巷帮卸压的基础上，对围岩破碎段施加U型支架被动支护与之相补偿，能够很好地提高巷道围岩的承载性能和防冲击能力。

图6 冲击防治前后巷道效果图

5 结 论

705工作面回风巷超前区域凸角处煤柱体受高集中静载荷作用，工作面采动引起的动力扰动使煤柱体受动静载叠加影响，其失稳破坏造成压力型或冲击(压力)型两类典型巷道冲击破坏事故。基于动静载叠加条件下煤柱体失稳诱发冲击地压机制，探讨了工作面上端头冲击破坏防治技术。锚网索支护+高压水射流巷帮卸压协同作用能够降低实体煤帮凸角处内高集中静载荷，在巷道围岩中形成强弱强三重防冲结构，有效地削弱了动静载叠加诱发冲击破坏的机率以及降低巷道的破坏程度。

[1] 贺 虎，窦林名，巩思园,等.巷道防冲机理及支护控制研究[J]．采矿与安全工程学报，2010，27(1)：40-44．

[2] 李剑锋，何 岗，国兴福.深孔卸压爆破控制冲击地压的机理及应用[J]．煤炭科技，2008(1)：75-77．

[3] 张兆民.大直径钻孔卸压机理及其合理参数研究[D]．青岛：山东科技大学，2011．

[4] 高明仕.冲击矿压巷道围岩的强弱强结构控制机理研究[D]．徐州：中国矿业大学，2006．

[5] 康红普，王金华，林 建.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用[J]．煤炭学报，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

岳鹏飞(1989—)，男，山西祁县人，2008年毕业于长治职业技术学院，助理工程师，主要从事煤矿生产技术工作

(E-mail)zengqiang5@126.com

TD324

B

1672-0652(2017)01-0042-04