软弱围岩孤岛支护技术探讨范文

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《能源技术与管理杂志》2015年第二期

1孤岛工作面沿空掘巷稳定性分析

研究表明，孤岛工作面沿空掘巷矿压显现剧烈，巷道变形破坏严重，围岩稳定性差，且巷道临空侧与实体煤侧变形相差较大。孤岛工作面沿空掘巷围岩稳定性与其特定的覆岩结构特征密切相关［2］。孤岛工作面沿空掘巷一侧为将要开采的实体煤，另一侧为上区段采空区，实体煤一侧相当于顶板的固支端，在煤柱靠近采空区侧又有一段外伸的顶板。基本顶断裂沿工作面倾向形成的破断面为弧形三角块B，弧形三角块B与实体煤侧的岩体A、采空区侧的块体C形成铰接结构，简称“弧形三角块”结构，如图3所示。整个弧形三角块结构对沿空掘巷围岩稳定状态和应力条件起决定性作用。整个弧形三角块结构演变过程中，岩块B受力状态由三向应力调整为二向受力状态：①水平方向分别受到采空区断裂基本顶的挤压和原岩岩体的挤压；②铅垂方向受上覆岩层的铅垂压力、采空区矸石的垂直支撑力、实体煤的垂直支承力的叠加作用；③稳定过程中，弧形三角块下方煤体产生破碎区和塑性区，降低岩体完整性和强度，加速煤岩体流变，随着时间推移，巷道变形破坏严重；④采动作用下，弧形三角块结构悬臂岩梁的回转破断引起沿空巷道瞬间水平移动以及顶板下沉，导致巷道失稳破坏。

2工作面支护方案设计

基于孤岛工作面沿空掘巷围岩稳定性分析，根据22121下顺槽掘进工作面地质条件及外部环境类比矿井其他巷道支护方式，参考国内类似条件矿井巷道支护形式和煤矿支护相关规定，对巷道支护提出6种实验方案，具体方案如下：（1）方案1：U型钢支护方案（对照方案）。U型钢可缩性支架以其较高的初撑力、增阻速度快、支护强度大和一定的可缩性等优点，被广泛应用于矿山巷道的支护［3］。参考矿井其他工作面巷道支护方式，22121下顺槽掘进工作面采用U型钢进行支护，巷道470~480m段为待观察区域，作为其他方案的对比区域。工作面断面形状为三心拱形，掘进宽×高=5m×3.2m，净宽×净高=4.6m×3m，掘进断面积14.2m2，净断面积12.3m2；巷道采用U29型钢支架配平钢网、白色塑料网进行支护，塑料网铺设在里，平钢网在外；U29型钢支架梁、腿之间采用卡缆进行连接，每帮柱腿与拱梁搭接位置采用3套卡缆；支架与支架间采用5道拉板固定连接；支护棚距为600mm。工作面支护断面如图4所示。（2）方案2：双柱腿支护方案。为进一步对巷道加强支护，在原支护方案基础上，对巷道临空一侧采取双柱腿支护，有效降低巷道变形量，维护巷道稳定，巷道500~510m为双柱腿支护区。（3）方案3：缩小棚距方案。在原支护方案基础上，U型钢支护棚距由600mm调整为500mm，进一步对巷道加强支护，巷道530~540m为缩小棚距支护区。（4）方案4：打大直径释放钻孔方案。大直径释放钻孔是指在煤岩体内应力集中区域实施直径通常大于110mm的钻孔（根据矿井实际条件），使钻孔周围一定区域煤岩体的应力集中程度下降或高应力转移到深处或远离高应力区，起到对巷道松帮卸压的作用。在原支护方案基础上，巷道临空侧帮部布置3排释放钻孔，钻孔间排距800mm×600mm，孔深3000mm，巷道560~570m段为释放钻孔区。（5）方案5：打锚杆方案。锚杆支护是一种新的巷道支护形式，与传统的支护方式相比，优越性十分突出，是发展高产高效采煤必不可少的配套技术。在原支护方案基础上，在巷道临空侧帮部打2排锚杆，进行U型钢与锚杆联合支护，进一步加强巷道支护强度，采用φ20×2400mm的左旋螺纹钢锚杆，每根锚杆使用1卷CK2335及1卷Z2335树脂锚固剂，锚杆间排距1000mm×600mm，巷道590~600m段为打锚杆区域。（6）方案6：打锚杆、释放钻孔协同支护方案。在原支护方案基础上，在巷道临空侧帮部打2排锚杆，同时布置3排释放钻孔，锚杆与释放钻孔布置相互错开。锚杆间排距1200mm×600mm，采用φ20×2400mm的左旋螺纹钢锚杆，每根锚杆使用1卷CK2335及1卷Z2335树脂锚固剂；释放钻孔间排距800mm×600mm，孔深3000mm，巷道620~630m段为打锚杆释放钻孔协同支护区。

3工作面支护效果分析

为更好地检验每种方案的支护效果，每个支护方案观察区域选择17个观测点，每10d监测一次，共监测90d。对比分析不同支护方案巷道宽度变化情况如图5所示。图5不同支护方案巷道宽度变化图由图5分析可知：①随着时间的推移，每一种方案巷道变形量逐渐增加，巷道宽度不断减小，且巷道变化趋势越来越弱，巷道宽度逐渐趋于稳定或缓慢变形状态。②方案1（对照区）、方案2（双柱腿支护）与方案3（缩小棚距支护）巷道变形量均较大，巷道宽度最小为3650mm，说明三者支护效果均不太好；3种方案巷道宽度变化区别不明显，方案3略好于方案2，方案2略小于方案1。③方案4（打释放钻孔）与前3种支护相比相差较大，方案3巷道变形量较小，巷道宽度最小为3900mm，说明释放钻孔效果较好，能够较好地释放巷道压力，减小巷道变形量。因此在情况允许的情况下，尽力多打释放钻孔，缩小钻孔间距。④方案5（打锚杆支护）支护效果较好，巷道变形量最小，巷道宽度最小为4010mm，说明锚杆与U型钢联合支护能显著降低巷道变形量，维护巷道稳定性。⑤方案6（打锚杆、释放钻孔协同支护方案）支护效果最好，巷道变形量最小，巷道宽度最小为4110mm，说明锚杆、释放钻孔与U型钢联合支护能够实现协同作用、优势互补，最大限度地维护巷道的稳定性。综上分析，方案4、方案5及方案6支护效果较好，尤其是方案6效果最好。因此巷道掘进过程中，在U型钢支护基础上，巷道临空侧帮部加强锚杆支护，同时打释放钻孔，尤其是在一些巷道变形量较大、矿压显现较为剧烈的区域，以共同实现巷道的稳定。

4结论

（1）研究表明，孤岛工作面沿空掘巷矿压显现剧烈，与其特定的覆岩结构特征密切相关。巷道覆岩形成弧形三角块结构，对巷道稳定状态和应力条件起决定性因素。采动作用下，弧形三角块结构悬臂岩梁的回转破断引起沿空巷道水平移动及顶板下沉，导致巷道失稳破坏。（2）根据22121下顺槽掘进工作面实际条件，提出6种支护方案。方案1：U型钢支护（对照方案）；方案2：双柱腿支护；方案3：缩小棚距；方案4：打释放钻孔；方案5：打锚杆；方案6：打锚杆、释放钻孔协同支护。通过对比分析，方案1、方案2及方案3支护效果均不理想，方案4、方案5及方案6支护效果较好，尤其是方案6效果最好。因此巷道主体采用U型钢支护，临空侧一帮加强锚杆支护，同时打释放钻孔，共同实现巷道的稳定。

作者：李文福刘振江李书启单位：河南能源化工集团永煤公司鑫龙煤业主焦煤矿