軟弱圍巖孤島支護技術探討范文

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《能源技術與管理雜志》2015年第二期

1孤島工作面沿空掘巷穩定性分析

研究表明，孤島工作面沿空掘巷礦壓顯現劇烈，巷道變形破壞嚴重，圍巖穩定性差，且巷道臨空側與實體煤側變形相差較大。孤島工作面沿空掘巷圍巖穩定性與其特定的覆巖結構特征密切相關［2］。孤島工作面沿空掘巷一側為將要開采的實體煤，另一側為上區段采空區，實體煤一側相當于頂板的固支端，在煤柱靠近采空區側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與實體煤側的巖體A、采空區側的塊體C形成鉸接結構，簡稱“弧形三角塊”結構，如圖3所示。整個弧形三角塊結構對沿空掘巷圍巖穩定狀態和應力條件起決定性作用。整個弧形三角塊結構演變過程中，巖塊B受力狀態由三向應力調整為二向受力狀態：①水平方向分別受到采空區斷裂基本頂的擠壓和原巖巖體的擠壓；②鉛垂方向受上覆巖層的鉛垂壓力、采空區矸石的垂直支撐力、實體煤的垂直支承力的疊加作用；③穩定過程中，弧形三角塊下方煤體產生破碎區和塑性區，降低巖體完整性和強度，加速煤巖體流變，隨著時間推移，巷道變形破壞嚴重；④采動作用下，弧形三角塊結構懸臂巖梁的回轉破斷引起沿空巷道瞬間水平移動以及頂板下沉，導致巷道失穩破壞。

2工作面支護方案設計

基于孤島工作面沿空掘巷圍巖穩定性分析，根據22121下順槽掘進工作面地質條件及外部環境類比礦井其他巷道支護方式，參考國內類似條件礦井巷道支護形式和煤礦支護相關規定，對巷道支護提出6種實驗方案，具體方案如下：（1）方案1：U型鋼支護方案（對照方案）。U型鋼可縮性支架以其較高的初撐力、增阻速度快、支護強度大和一定的可縮性等優點，被廣泛應用于礦山巷道的支護［3］。參考礦井其他工作面巷道支護方式，22121下順槽掘進工作面采用U型鋼進行支護，巷道470~480m段為待觀察區域，作為其他方案的對比區域。工作面斷面形狀為三心拱形，掘進寬×高=5m×3.2m，凈寬×凈高=4.6m×3m，掘進斷面積14.2m2，凈斷面積12.3m2；巷道采用U29型鋼支架配平鋼網、白色塑料網進行支護，塑料網鋪設在里，平鋼網在外；U29型鋼支架梁、腿之間采用卡纜進行連接，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；支護棚距為600mm。工作面支護斷面如圖4所示。（2）方案2：雙柱腿支護方案。為進一步對巷道加強支護，在原支護方案基礎上，對巷道臨空一側采取雙柱腿支護，有效降低巷道變形量，維護巷道穩定，巷道500~510m為雙柱腿支護區。（3）方案3：縮小棚距方案。在原支護方案基礎上，U型鋼支護棚距由600mm調整為500mm，進一步對巷道加強支護，巷道530~540m為縮小棚距支護區。（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應力集中區域實施直徑通常大于110mm的鉆孔（根據礦井實際條件），使鉆孔周圍一定區域煤巖體的應力集中程度下降或高應力轉移到深處或遠離高應力區，起到對巷道松幫卸壓的作用。在原支護方案基礎上，巷道臨空側幫部布置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。（5）方案5：打錨桿方案。錨桿支護是一種新的巷道支護形式，與傳統的支護方式相比，優越性十分突出，是發展高產高效采煤必不可少的配套技術。在原支護方案基礎上，在巷道臨空側幫部打2排錨桿，進行U型鋼與錨桿聯合支護，進一步加強巷道支護強度，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樹脂錨固劑，錨桿間排距1000mm×600mm，巷道590~600m段為打錨桿區域。（6）方案6：打錨桿、釋放鉆孔協同支護方案。在原支護方案基礎上，在巷道臨空側幫部打2排錨桿，同時布置3排釋放鉆孔，錨桿與釋放鉆孔布置相互錯開。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同支護區。

3工作面支護效果分析

為更好地檢驗每種方案的支護效果，每個支護方案觀察區域選擇17個觀測點，每10d監測一次，共監測90d。對比分析不同支護方案巷道寬度變化情況如圖5所示。圖5不同支護方案巷道寬度變化圖由圖5分析可知：①隨著時間的推移，每一種方案巷道變形量逐漸增加，巷道寬度不斷減小，且巷道變化趨勢越來越弱，巷道寬度逐漸趨于穩定或緩慢變形狀態。②方案1（對照區）、方案2（雙柱腿支護）與方案3（縮小棚距支護）巷道變形量均較大，巷道寬度最小為3650mm，說明三者支護效果均不太好；3種方案巷道寬度變化區別不明顯，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）支護效果較好，巷道變形量最小，巷道寬度最小為4010mm，說明錨桿與U型鋼聯合支護能顯著降低巷道變形量，維護巷道穩定性。⑤方案6（打錨桿、釋放鉆孔協同支護方案）支護效果最好，巷道變形量最小，巷道寬度最小為4110mm，說明錨桿、釋放鉆孔與U型鋼聯合支護能夠實現協同作用、優勢互補，最大限度地維護巷道的穩定性。綜上分析，方案4、方案5及方案6支護效果較好，尤其是方案6效果最好。因此巷道掘進過程中，在U型鋼支護基礎上，巷道臨空側幫部加強錨桿支護，同時打釋放鉆孔，尤其是在一些巷道變形量較大、礦壓顯現較為劇烈的區域，以共同實現巷道的穩定。

4結論

（1）研究表明，孤島工作面沿空掘巷礦壓顯現劇烈，與其特定的覆巖結構特征密切相關。巷道覆巖形成弧形三角塊結構，對巷道穩定狀態和應力條件起決定性因素。采動作用下，弧形三角塊結構懸臂巖梁的回轉破斷引起沿空巷道水平移動及頂板下沉，導致巷道失穩破壞。（2）根據22121下順槽掘進工作面實際條件，提出6種支護方案。方案1：U型鋼支護（對照方案）；方案2：雙柱腿支護；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、釋放鉆孔協同支護。通過對比分析，方案1、方案2及方案3支護效果均不理想，方案4、方案5及方案6支護效果較好，尤其是方案6效果最好。因此巷道主體采用U型鋼支護，臨空側一幫加強錨桿支護，同時打釋放鉆孔，共同實現巷道的穩定。

作者：李文福劉振江李書啟單位：河南能源化工集團永煤公司鑫龍煤業主焦煤礦