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《能源技術(shù)與管理雜志》2015年第二期

1孤島工作面沿空掘巷穩(wěn)定性分析

研究表明，孤島工作面沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道變形破壞嚴(yán)重，圍巖穩(wěn)定性差，且巷道臨空側(cè)與實(shí)體煤側(cè)變形相差較大。孤島工作面沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性與其特定的覆巖結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)［2］。孤島工作面沿空掘巷一側(cè)為將要開(kāi)采的實(shí)體煤，另一側(cè)為上區(qū)段采空區(qū)，實(shí)體煤一側(cè)相當(dāng)于頂板的固支端，在煤柱靠近采空區(qū)側(cè)又有一段外伸的頂板。基本頂斷裂沿工作面傾向形成的破斷面為弧形三角塊B，弧形三角塊B與實(shí)體煤側(cè)的巖體A、采空區(qū)側(cè)的塊體C形成鉸接結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱“弧形三角塊”結(jié)構(gòu)，如圖3所示。整個(gè)弧形三角塊結(jié)構(gòu)對(duì)沿空掘巷圍巖穩(wěn)定狀態(tài)和應(yīng)力條件起決定性作用。整個(gè)弧形三角塊結(jié)構(gòu)演變過(guò)程中，巖塊B受力狀態(tài)由三向應(yīng)力調(diào)整為二向受力狀態(tài)：①水平方向分別受到采空區(qū)斷裂基本頂?shù)臄D壓和原巖巖體的擠壓；②鉛垂方向受上覆巖層的鉛垂壓力、采空區(qū)矸石的垂直支撐力、實(shí)體煤的垂直支承力的疊加作用；③穩(wěn)定過(guò)程中，弧形三角塊下方煤體產(chǎn)生破碎區(qū)和塑性區(qū)，降低巖體完整性和強(qiáng)度，加速煤巖體流變，隨著時(shí)間推移，巷道變形破壞嚴(yán)重；④采動(dòng)作用下，弧形三角塊結(jié)構(gòu)懸臂巖梁的回轉(zhuǎn)破斷引起沿空巷道瞬間水平移動(dòng)以及頂板下沉，導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞。

2工作面支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基于孤島工作面沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性分析，根據(jù)22121下順槽掘進(jìn)工作面地質(zhì)條件及外部環(huán)境類比礦井其他巷道支護(hù)方式，參考國(guó)內(nèi)類似條件礦井巷道支護(hù)形式和煤礦支護(hù)相關(guān)規(guī)定，對(duì)巷道支護(hù)提出6種實(shí)驗(yàn)方案，具體方案如下：（1）方案1：U型鋼支護(hù)方案（對(duì)照方案）。U型鋼可縮性支架以其較高的初撐力、增阻速度快、支護(hù)強(qiáng)度大和一定的可縮性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于礦山巷道的支護(hù)［3］。參考礦井其他工作面巷道支護(hù)方式，22121下順槽掘進(jìn)工作面采用U型鋼進(jìn)行支護(hù)，巷道470~480m段為待觀察區(qū)域，作為其他方案的對(duì)比區(qū)域。工作面斷面形狀為三心拱形，掘進(jìn)寬×高=5m×3.2m，凈寬×凈高=4.6m×3m，掘進(jìn)斷面積14.2m2，凈斷面積12.3m2；巷道采用U29型鋼支架配平鋼網(wǎng)、白色塑料網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，塑料網(wǎng)鋪設(shè)在里，平鋼網(wǎng)在外；U29型鋼支架梁、腿之間采用卡纜進(jìn)行連接，每幫柱腿與拱梁搭接位置采用3套卡纜；支架與支架間采用5道拉板固定連接；支護(hù)棚距為600mm。工作面支護(hù)斷面如圖4所示。（2）方案2：雙柱腿支護(hù)方案。為進(jìn)一步對(duì)巷道加強(qiáng)支護(hù)，在原支護(hù)方案基礎(chǔ)上，對(duì)巷道臨空一側(cè)采取雙柱腿支護(hù)，有效降低巷道變形量，維護(hù)巷道穩(wěn)定，巷道500~510m為雙柱腿支護(hù)區(qū)。（3）方案3：縮小棚距方案。在原支護(hù)方案基礎(chǔ)上，U型鋼支護(hù)棚距由600mm調(diào)整為500mm，進(jìn)一步對(duì)巷道加強(qiáng)支護(hù)，巷道530~540m為縮小棚距支護(hù)區(qū)。（4）方案4：打大直徑釋放鉆孔方案。大直徑釋放鉆孔是指在煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)域?qū)嵤┲睆酵ǔ４笥?10mm的鉆孔（根據(jù)礦井實(shí)際條件），使鉆孔周圍一定區(qū)域煤巖體的應(yīng)力集中程度下降或高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深處或遠(yuǎn)離高應(yīng)力區(qū)，起到對(duì)巷道松幫卸壓的作用。在原支護(hù)方案基礎(chǔ)上，巷道臨空側(cè)幫部布置3排釋放鉆孔，鉆孔間排距800mm×600mm，孔深3000mm，巷道560~570m段為釋放鉆孔區(qū)。（5）方案5：打錨桿方案。錨桿支護(hù)是一種新的巷道支護(hù)形式，與傳統(tǒng)的支護(hù)方式相比，優(yōu)越性十分突出，是發(fā)展高產(chǎn)高效采煤必不可少的配套技術(shù)。在原支護(hù)方案基礎(chǔ)上，在巷道臨空側(cè)幫部打2排錨桿，進(jìn)行U型鋼與錨桿聯(lián)合支護(hù)，進(jìn)一步加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度，采用φ20×2400mm的左旋螺紋鋼錨桿，每根錨桿使用1卷CK2335及1卷Z2335樹(shù)脂錨固劑，錨桿間排距1000mm×600mm，巷道590~600m段為打錨桿區(qū)域。（6）方案6：打錨桿、釋放鉆孔協(xié)同支護(hù)方案。在原支護(hù)方案基礎(chǔ)上，在巷道臨空側(cè)幫部打2排錨桿，同時(shí)布置3排釋放鉆孔，錨桿與釋放鉆孔布置相互錯(cuò)開(kāi)。錨桿間排距1200mm×600mm，采用φ20×2400mm的左旋螺紋鋼錨桿，每根錨桿使用1卷CK2335及1卷Z2335樹(shù)脂錨固劑；釋放鉆孔間排距800mm×600mm，孔深3000mm，巷道620~630m段為打錨桿釋放鉆孔協(xié)同支護(hù)區(qū)。

3工作面支護(hù)效果分析

為更好地檢驗(yàn)每種方案的支護(hù)效果，每個(gè)支護(hù)方案觀察區(qū)域選擇17個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每10d監(jiān)測(cè)一次，共監(jiān)測(cè)90d。對(duì)比分析不同支護(hù)方案巷道寬度變化情況如圖5所示。圖5不同支護(hù)方案巷道寬度變化圖由圖5分析可知：①隨著時(shí)間的推移，每一種方案巷道變形量逐漸增加，巷道寬度不斷減小，且巷道變化趨勢(shì)越來(lái)越弱，巷道寬度逐漸趨于穩(wěn)定或緩慢變形狀態(tài)。②方案1（對(duì)照區(qū)）、方案2（雙柱腿支護(hù)）與方案3（縮小棚距支護(hù)）巷道變形量均較大，巷道寬度最小為3650mm，說(shuō)明三者支護(hù)效果均不太好；3種方案巷道寬度變化區(qū)別不明顯，方案3略好于方案2，方案2略小于方案1。③方案4（打釋放鉆孔）與前3種支護(hù)相比相差較大，方案3巷道變形量較小，巷道寬度最小為3900mm，說(shuō)明釋放鉆孔效果較好，能夠較好地釋放巷道壓力，減小巷道變形量。因此在情況允許的情況下，盡力多打釋放鉆孔，縮小鉆孔間距。④方案5（打錨桿支護(hù)）支護(hù)效果較好，巷道變形量最小，巷道寬度最小為4010mm，說(shuō)明錨桿與U型鋼聯(lián)合支護(hù)能顯著降低巷道變形量，維護(hù)巷道穩(wěn)定性。⑤方案6（打錨桿、釋放鉆孔協(xié)同支護(hù)方案）支護(hù)效果最好，巷道變形量最小，巷道寬度最小為4110mm，說(shuō)明錨桿、釋放鉆孔與U型鋼聯(lián)合支護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同作用、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，最大限度地維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。綜上分析，方案4、方案5及方案6支護(hù)效果較好，尤其是方案6效果最好。因此巷道掘進(jìn)過(guò)程中，在U型鋼支護(hù)基礎(chǔ)上，巷道臨空側(cè)幫部加強(qiáng)錨桿支護(hù)，同時(shí)打釋放鉆孔，尤其是在一些巷道變形量較大、礦壓顯現(xiàn)較為劇烈的區(qū)域，以共同實(shí)現(xiàn)巷道的穩(wěn)定。

4結(jié)論

（1）研究表明，孤島工作面沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)劇烈，與其特定的覆巖結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。巷道覆巖形成弧形三角塊結(jié)構(gòu)，對(duì)巷道穩(wěn)定狀態(tài)和應(yīng)力條件起決定性因素。采動(dòng)作用下，弧形三角塊結(jié)構(gòu)懸臂巖梁的回轉(zhuǎn)破斷引起沿空巷道水平移動(dòng)及頂板下沉，導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞。（2）根據(jù)22121下順槽掘進(jìn)工作面實(shí)際條件，提出6種支護(hù)方案。方案1：U型鋼支護(hù)（對(duì)照方案）；方案2：雙柱腿支護(hù)；方案3：縮小棚距；方案4：打釋放鉆孔；方案5：打錨桿；方案6：打錨桿、釋放鉆孔協(xié)同支護(hù)。通過(guò)對(duì)比分析，方案1、方案2及方案3支護(hù)效果均不理想，方案4、方案5及方案6支護(hù)效果較好，尤其是方案6效果最好。因此巷道主體采用U型鋼支護(hù)，臨空側(cè)一幫加強(qiáng)錨桿支護(hù)，同時(shí)打釋放鉆孔，共同實(shí)現(xiàn)巷道的穩(wěn)定。

作者：李文福劉振江李書(shū)啟單位：河南能源化工集團(tuán)永煤公司鑫龍煤業(yè)主焦煤礦