孤岛工作面回采巷道围岩稳定性控制研究_张继东.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 0引言 煤矿在采区以及工作面开采规划时， 受到地质以 及工程条件以及正常采掘衔接要求的影响， 不得不做 出工作面跳采的决定[1]。这就势必造成了两侧采空或 者三侧均采空的孤岛工作面， 孤岛工作面覆岩应力分 布受到二次或三次采动应力的影响， 在孤岛工作面两 侧均出现了不同程度的应力集中[2]。在孤岛工作面回 采过程中，回采巷道受到剧烈的集中应力的影响， 巷 道收缩程度强、 围岩稳定性差， 对工作面的安全高效 作业影响较大， 对矿井的整体效益形成了制约[3]。 学者 刘春刚[4]立足于索锚网联合支护形式， 运用 FLAC3D数 值模拟方法， 以镇城底煤矿 22613 孤岛工作面的轨道 巷为工程背景， 认为解决孤岛工作面的主要途径为增 加巷道支护强度， 同时增加锚杆、 锚索长度以形成 更为坚固的支撑结构。学者赵建峰[5]基于平煤一矿戊 9- 23010 孤岛工作面回采巷道围岩控制问题，利用 X 射线衍射仪、点载荷仪以及岩层探测记录仪对戊 9- 23010 孤岛工作面回采巷道的围岩特性进行了详细 分析，结合相邻矿井实际提出多个支护方案，结合 FLAC3D数值模拟方法选择出了“索锚网喷 U 型钢 棚” 综合支护形式。 本文依托西曲矿 12316 综采工作面为孤岛工作 面的生产实际， 在矿井原有 12316 工作面运输顺槽支 护失效的情况下。 分析了孤岛工作面回采巷道覆岩块 体铰接结构， 并对锚杆、 锚索的设计参数进行设计， 并 进行了现场应用。 经过现场钻孔窥视与巷道表面位移 监测， 该种支护参数对巷道稳定产生了积极的控制作 用， 产生了良好的效果。 1工程概况 西曲矿 12316 综采工作面位于南三盘区位于西 曲矿＋983 水平中下部，北临已回采的 23 煤 12307、 22102 工作面；南临已回采的 23 煤 12301、 12302 工作面； 西临已回采的 23 煤 12303、 12304、 12305、 12306 工作面；东临已回采的 2.3 煤 22101、 22107、 22108 工作面。12316 综采工作面属于典型的 “U”型孤岛工作面， 12316 工作面两侧区段煤柱均为 20m， 工 作 面 范 围 内 23 煤 厚 度 稳 定 ， 煤 厚 4.12～4.75m， 平均 4.50m， 煤层结构简单， 煤层整体倾 孤岛工作面回采巷道围岩稳定性控制研究 张 继 东 （山西西山煤电西曲矿通风科 ， 山西 古交 030200 ） 摘要 本文依托西曲矿 12316 孤岛综采工作面回采巷道支护工程， 对巷道覆岩破断块体铰接结构进 行了理论分析， 采用现场调研的方法对巷道破坏进行了分析， 利用钻孔窥视的方法对巷道顶板破坏进 行了说明， 认为 “非对称支护” 原则不适用该矿实际。提出了新的巷道支护方式， 利用井下原位钻孔窥 视的方法， 对巷道顶板岩层进行了观测， 工作面回采期间， 监测了巷道表面位移。实测证明， 新的支护 方式， 效果良好。 关键词 孤岛工作面 ； 回采巷道 ； 围岩控制 中图分类号 TD353 文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0138- 04 Study on Stability Control of Surrounding Rock of Mining Roadway in Isolated Coal Face ZHANG Jidong （Department ofVentilation, Xiqu Coal and Electricity , Gujiao 030200 , China ） Abstract Based on the actual support engineering of12316 Island fully mechanized mining face in Xiqu Coal Mine, the articulated structure ofbroken block in overburden rock ofroadway is analyzed theoretically, the roadway failure is analyzed by field investigation , and the roof failure of roadway is explained by borehole peeping . It is considered that the principle of asymmetric support is not applicable to the actual situation of the mine. A new way of roadway support is put forward. The roof strata of roadway are observed by means of in- situ borehole peeping. The surface displacement ofroadwayis monitored duringthe miningperiod ofworkingface. The actual measurement proves that the newsupport has a good effect. Keywords Isolated workingface ; Miningroadway; Surroundingrock control 138 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 向西南， 倾角 2～7， 平均为 5。工作面煤层顶底 板条件见表 1。工作面范围内未见断层与陷落柱构 造， 该区域内无河流冲刷带及岩浆侵入体影响。工作 面地质与水文地质条件简单。 表 1煤层顶底板情况表 12316 运输顺槽沿 23 号煤层底板掘进， 设计长 度 1150m， 巷道为矩形断面， 净宽 5.0m， 毛宽 5.2m， 净 高 3.3m，毛高 3.4m，净断面积 16.5m2，掘进断面积 17.68m2， 顺槽断面较大， 主要担负 12316 工作面主要 设备运输与工作面煤流运输以及为输送工作面新鲜 风流等任务。 2孤岛工作面回采巷道围岩稳定性分析 由于 12316 工作面两侧全部采空， 工作面上覆岩 层在受到两次采动影响后， 上覆岩层破坏严重。 12316 工作面运输顺槽受到掘进扰动以及回采扰动后， 巷道 围岩稳定性较差， 若巷道支护强度不够， 巷道极易发 生变形与破坏，严重影响回采工作面的安全高效作 业。 考虑到 12316 工作面运输顺槽一侧为实体煤一侧 为 20m的区段护巷煤柱， 可构建巷道覆岩结构模型[6]， 见图 1。 图 1孤岛工作面回采巷道覆岩结构示意图[6] 由图 1 可知， 12316 综采工作面两侧工作面均已 回采完毕，上覆岩层关键层受到两次采动影响， 沿 12316 综采工作面分别对称断裂为 A、 B、 C 三个关键 块体。其中块体 A 为 12316 综采工作面上覆岩层关 键层， 块体 C 为相邻已回采工作面采空区， 并已完全 垮落，块体 B 与块体 A、 C 形成铰接稳定结构。当 12316 工作面运输顺槽掘进或 12316 工作面回采工 作面形成的掘进扰动或回采扰动影响， 破坏运输顺槽 上部块体 B 与块体 A、 C 形成铰接稳定结构后，块体 B既会产生旋转垮落， 对运输顺槽围岩产生强烈冲击 压力， 导致运输顺槽围岩严重破坏， 影响顺槽内人员 与设备安全。 因此对于孤岛工作面回采巷道的支护原 则应当为增大巷道支护强度，维护巷道围岩稳定性， 形成块体 B稳定的承载结构。 3巷道原有巷道支护形式及效果 3.1 巷道原有支护 12316 工作面运输顺槽在掘进初期， 提出了 “非 对称支护” 原则， 认为孤岛工作面回采巷道实体煤侧 承载能力较强，故块体 A 与块体 B 之间的铰接结构 较为稳定， 而煤柱侧由于煤柱稳定性较差， 故应当对 巷道煤柱侧进行加强支护，以维护块体 B 与块体 C 之间的铰接结构稳定。故对煤柱帮侧进行了加强支 护。巷道原有支护参数见表 1， 巷道支护断面见图 2。 表 1巷道原有支护参数 图 2巷道支护断面图 3.2巷道原有支护效果 12316 工作面运输顺槽掘进 500m后，在旧有支 护条件下， 巷道出现严重变形， 由图 3 可见， 巷道顶板 围岩较为破碎， 巷道锚索由于受到集中应力， 锚索托 盘弯曲变形； 巷道实体煤帮片帮严重， 表面煤体已经 完全脱落， 钢筋梯子梁弯曲变形， 帮锚杆未能有效控 制巷帮失稳。同时， 巷道原位钻孔窥视图中可以清晰 发现， 巷道顶板围岩成块状破碎， 不能形成稳定承载 结构。可见由于采用 “非对称支护” 原则， 单纯对巷道 煤柱帮进行了加强支护， 导致了巷道实体煤帮支护强 顶、 底板名称岩石名称厚度/m特征 老顶泥岩3.38深灰色泥岩， 含植物化石碎片 直接顶砂质泥岩1.11黑色砂质泥岩， 含植物碎片 直接底泥岩3.60泥岩， 含有斑痕及植物碎片 老底细砂岩2.03细砂岩， 含白云母片及石英， 有滑痕 支护参数 顶锚杆 长度 /mm 顶锚杆 直径 /mm 帮锚杆 长度 /mm 帮锚杆 直径 /mm 顶板间 排距 /mm 煤柱帮帮 间排距 /mm 实体煤帮 间排距 /mm 2200222200228008008008001200800 顶锚索 长度 /mm 顶锚索 直径 /mm 顶部锚索 间排距 mm； 煤柱帮锚 索长度 /mm 煤柱帮锚 索直径 /mm 煤柱帮锚索间排距 mm； 840021.820002000540021.815002000 139 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 度不足，从而引发了关键块体 B 与关键块体 A 的铰 接结构失稳。引起块体 B的旋转失稳， 其产生的回转 失稳载荷， 又作用于巷道顶板， 造成了巷道在掘进期 间就发生整体失稳的现象。 （a ）巷道顶板锚索失稳（b）巷道实体煤帮破坏 图 3巷道失稳图 图 4巷道原有支护顶板 0～2m 窥视图 4巷道优化支护形式及效果 4.1巷道优化支护形式确定 针对原有支护失效的现象， 笔者认为主要原因在 于未能正确认识到 12316 运输顺槽的顶板破断块体 铰接等特点，未能对顺槽围岩进行全面加强支护， 没 有形成连续的高强度支护承载结构， 顺槽实体煤帮的 破坏直接导致了巷道围岩整体失稳。笔者针对该现 象， 提出了 “巷道全断面连续加强支护” 原则即对巷道 整体断面进行加强支护，形成连续的稳定应力承载 体， 优化顺槽支护参数与支护形式见表 3 与图 5。 表 3巷道优化支护参数 图 5巷道优化支护断面图 4.2支护效果检测 采用优化后的 “巷道全断面连续加强支护” 的支 护形式后， 巷道围岩基本保持稳定， 在后续的掘进作 业中， 未出现失稳现象。 同时， 利用原位钻孔窥视监测 手段， 见图 6， 可以发现， 巷道顶板围岩整体稳定性较 好， 裂隙发育不明显， 说明巷道支护体强度较好， 在掘 进期间保证了巷道上方关键块体之间的铰接结构的 稳定性。 图 6巷道优化支护顶板 0～2m 窥视图 为验证巷道 “围岩支护体” 结构是否能够控制 采动扰动下的巷道上方关键块体之间的铰接结构的 稳定性，必须在工作面回采时期观测巷道的表位位 移， 见图 7， 巷道相帮相对移近量为 99.5mm， 巷道顶 底板移近量为 69.7mm。 （a ） 巷道两帮移近量监测 支护参数 顶锚杆 长度 /mm 顶锚杆 直径 /mm 帮锚杆 长度 /mm 帮锚杆 直径 /mm 顶板间 排距 /mm 煤柱帮帮 间排距 /mm 实体煤帮 间排距 /mm 240022240022800800800800800800 顶锚索 长度 /mm 顶锚索 直径 /mm 顶部锚索 间排距 mm； 帮锚索 长度 /mm 帮锚索 直径 /mm 煤柱帮锚索间排距 mm； 840021.820002000640021.815002000 140 ChaoXing （上接第 137 页） 轮分段间隔四级” 放煤工艺方案在顶煤回收率以及 含矸率较前两种方案优势表现明显。 5结语 通过多次现场实测表面， 在塔山矿 C3- 5 层特 厚煤层条件下， 既提高了工作面回收率、 精煤产率， 又降低了煤流系统内矸石量， 同时降低了对洗选设 备的磨损， 提高工作面的开机率； 并在塔山煤矿多 个综放工作面进行推广， 这一研究结果可为类似条 件下综放工作面优化和选择放煤工艺参数提供理 论与实践依据。 参考文献 [1] 李佳佳,邓秘.含夹矸煤层综放开采顶煤冒落与放出规律 研究[J].煤矿现代化,2016 （05） 15- 1618. 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[8] 邓维元,康天合.特厚煤层综放开采放煤工艺优化研究[J]. 煤炭工程,2017,49 （04） 52- 55. 作者简介 赵建伟 （1963.1-） ， 山西大同人， 高级工程师， 研究方向 采矿技术管理。（收稿日期 2019- 12- 11） 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 （b） 巷道顶底板移近量监测 图 7巷道表面位移监测 说明该种支护方法， 对 12316 运输顺槽围岩进行 了有效控制。优化后的支护方式， 不仅能够稳定巷道 掘进扰动情况下的顶板上方关键块体之间的铰接结 构的稳定性， 还能够抵抗采动扰动对该结构的影响。 5结论 本文依托西曲矿 12316 孤岛综采工作面运输顺 槽原有支护失效工程实际， 对巷道覆岩破断块体铰接 结构进行了说明，并认为块体 B 两端铰接都需要控 制，对巷道破坏进行了现场调研，对巷道顶板 0～2m 范围进行了钻孔窥视，认为在巷道原有支护强度下， 巷道围岩已经失稳， 证明在该矿条件下 “非对称支护” 原则已经不能适用。并提出了 “巷道全断面连续加强 支护” 原则， 优化顺槽支护参数后， 钻孔窥视结果与现 场调研表明， 巷道在掘进期间围岩完整性较好， 巷道 在工作面回采期间两帮相对移近量为 99.5mm，巷道 顶底板移近量为 69.7mm。 处于安全使用范围之内， 该 支护形式， 确保了顺槽围岩稳定性。 参考文献 [1] 朱广安,窦林名,丁自伟,解嘉豪.孤岛工作面采前冲击危 险性预评估研究[J].岩土工程学报,2018,4005819- 827. [2] 张科学,郝云新,张军亮,张永杰,李磊,肖同强,闫帅,冯伟. 孤岛工作面回采巷道围岩稳定性机理及控制技术 [J].煤 矿安全,2010,411161- 64. [3] 刘宏旺.孤岛工作面回采巷道锚索托盘失效分析[J].煤矿 安全,2016,4711204- 207. [4] 刘春刚. 孤岛工作面动压巷道锚杆支护数值模拟研究[J]. 能源与环保,201702169- 172178. [5] 赵建峰,王卫军,彭文庆,袁超,王金,彭刚.采动条件下孤岛 工作面回采巷道围岩变形特征及其支护技术[J].矿业工 程研究,2016,310215- 20. [6] 曹建军,易恩兵.孤岛工作面围岩运移及冲击破坏数值模 拟研究[J].矿业安全与环保,2015,420220- 23. 作者简介 张继东 （1990-） ， 男， 汉， 山西宁武人， 2016 年 1 月毕业 于大同大学采矿工程专业， 本科。采煤助理工程师， 研究方 向 采煤。（收稿日期 2019- 4- 26） 141 ChaoXing