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

第３１卷第２期　矿业工程研究　Ｖ０１．３１　Ｎｏ．２　２０１６年　６月　Ｍｉｎｅｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｊｕｎ．２０１６　ｄｏｉ：１０．１３５８２／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７４—５８７６．２０１６．０２．００４　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　赵建峰，王卫军，彭文庆，袁超，王金，彭刚　（湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭４１　１２０１）　摘要：为了解决采动条件下孤岛工作面回采巷道支护难题，以平煤一矿戊，一２３０１０采煤工作面回采巷道作为研究对　象，进行现场调查巷道围岩变形特征，分析围岩矿物成分及强度，探测围岩内部节理裂隙调发育情况等；运用ＦＬＡＣ”模拟　了非孤岛工作面开采与孤岛工作面回采期间的应力分布特征．分析认为：巷道围岩整体加固，两帮加强支护是保障孤岛工　作面回采巷道均匀协调变形的关键．在以上分析研究的基础上，提出具有针对性的“锚杆＋锚索＋金属网＋喷浆＋ｕ型钢　拱支架”综合支护方案，并应用于现场，经过１３２　ｄ的监测，结果表明：该支护方案有效地控制了巷道变形，支护效果明显．　关键词：采动；孤岛工作面；回采巷道；围岩；支护技术　中图分类号：ＴＤ３５３　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７２—９１０２（２０１６）０２—００１５—０６　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｉｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ｒｏａｄｗａｙ　ｏｆ　ｉｓｏｌａｔｅｄ　ｉｓｌａｎｄ　ｆａｃｅ　ＺＨＡＯ　Ｊｉａｎｆｅｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｗｅｉｊｕｎ，ＰＥＮＧ　Ｗｅｎｑｉｎｇ，ＹＵＡＮ　Ｃｈａｏ，ＷＡＮＧ　Ｊｉｎ，ＰＥＮＧ　Ｇａｎｇ　（Ｈｕｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　ＳａｆｅＭｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　０ｆＣｏａｌＭｉｎｅｓ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ　４１１２０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｏａｄｗａｙ　ｉｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ｇａｔｅｗａｙ　ｏｆ　ｉｓｏｌａｔｅｄ　ｉｓｌａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆａｃｅ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｕｒｖｅｙｓ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ，ｍａｋｅｓ　ａｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｍｉｎｅｒａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ，ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｊｏｉｎｔ　ｆｉｓｓｕｒｅｓ　ｉｎ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋｓ．　Ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｎ—－ｉｓｏｌａｔｅｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｓｏｌａｔｅｄ　ｉｓｌｎａｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｉｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＦＬＡＣ　．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｏｆ　ｒｏａｄｗａｙ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｏｎ　ｂｏｔｈ　ｓｉｄｅｓ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐｏｉｎｔｓ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏａｄｗａｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｓｏｌａｔｅｄ　ｉｓｌｎａｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆａｃｅ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｓｏｍｅ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｆｏｒ“ａｎｃｈｏｒ　ｂｏｌｔ　ｐｌｕｓ　ｃａｂｌｅ　ｐｌｕｓ　ｍｅｔｌａ　ｍｅｓｈ　ｐｌｕｓ　ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ　ｐｌｕｓ　Ｕ—ｓｈａｐｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ａｒｃｈ　ｓｕｐｐｏｒｔｓ”．ａｎｄ　ａｐｐｌｉｅｓ　ｉｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ．Ａｆｔｅｒ　ｏｎｅ　ｈｕｎｄｒｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｉｒｔｙ—ｔｗｏ　ｄａｙｓ　ｏｆ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｃｈｅｍｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏａｄｗａｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｓ　ｏｂｖｉｏｕｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉｎｇ；ｉｓｏｌａｔｅｄ　ｉｓｌａｎｄ　ｆａｃｅ；ｍｉｎｉｎｇ　ｇａｔｅｗａｙ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ；ｓｕｐｐｏｒｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　针对孤岛工作面的开采现状，如何安全地开采这些煤，减少资源损失，提高矿井的采出率和经济效益，　是煤矿生产建设中一项重要的技术工作　．长期以来，有关孤岛工作面开采支护技术方面的研究很多，　诸多专家学者做了较深入的理论与工程实例应用研究．例如，刘长友等　采用ＦＬＡＣ　。软件对比分析了超　长孤岛工作面的支承压力分布特征；王同旭等　模拟了孤岛工作面侧向支承压力的分布规律，并利用雷　收稿日期：２０１５—１２—０４　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１４３４００６；５１３７４１０５）；湖南省教育厅资助项目（１４Ｃ０４２７）；煤矿安全开采技术湖南省重点实　验室开放基金资助项目（２０１２０６）　通信作者：王卫军（１９６５一），男，湖南涟源人，博士，教授，研究方向：巷道围岩控制．Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｊｗａｎｇ＠ｈｎｕｓｔ．ｃａ　１６　矿业工程研究　２０１６年第３１卷　达探测研究了塑性破坏区沿倾斜方向的变化规律；李文峰等　针对孤岛煤柱下沿空掘巷围岩应力大、巷　道底鼓严重的问题，分析了巷道围岩性质、工作面动压、沿空掘巷窄煤柱宽度、孤岛煤柱集中应力等对巷道　底鼓的影响；邢台矿业集团显德汪矿１７２３孤岛工作面，伪顶破碎，厚度大，两巷压力显现明显，巷道收敛严　重，对工作面生产不利．在工作面进行了超过３０　ｄ矿压观测，取得了大量数据，得出了孤岛面矿压显现规　律，为安全生产提供科学依据．因此，对孤岛工作面的开采技术研究，是确保回采工作面安全高效生产的必　要技术基础工作．针对上下煤层开采后形成的孤岛工作面围岩上覆岩层受力特征，本文以平煤一矿戊。一　２３０１０采煤工作面回采巷道为研究对象，通过实验室试验、数值模拟和理论分析，针对性的提出支护方案，　并应用于工程现场，并取得了良好的支护效果，这对提高资源回收、增加矿井经济效益，以及加快同类矿井　的高产高效开采具有重要的意义．　１　工程概况　戊。一２３０１０采煤工作面位于河南省境内平顶山和张寨山交界处，地面标高为＋１５０一＋１８０　ｍ，工作面标　高为…１９０　２４０　ｍ，最大埋深为３９０　１１１，北部方位紧邻戊　一２３００９采空区，南部方位紧邻戊。一２３０１１采空　区．戊。一２３０１０采煤工作面储量达到３１．５×１０　ｔ，其布置方式为机巷和风巷呈平行布置，方位为１１７。１　，总工　程量为１　４７０．２５　Ｉｎ，其中，机巷６９５．９２　ｎｌ，风巷５８５．８　ｉｎ，切眼１８８．５３　ｍ．可采走向长度５５６．１５　Ｉｎ，采长　１８７．８８　ｍ，平均采高里段２．８　Ｉｎ，外段１．４　Ｉｎ．工作面布置及回采巷道断面形式如图１和图２所示．　图１　戊。一２３０１０采煤工作面布置示意图　图２戊９—２３０１０采煤工作面回采巷道断面图　２巷道现场变形特征及围岩特征分析　主要针对戊。一２３０１０采煤工作面进行了大量现场围岩的围岩变形情况调查、电镜扫描分析、岩石成　分分析、围岩内部节理裂隙调发育情况及对工作面进行数值模拟受力特征等一系列工作，具体如下．　２．１　戊。一２３０１０采煤工作面回采巷道围岩变形特征　针对戊。一２３０１０孤岛工作面回采期间的巷道围岩进行了大量现场调研，发现其围岩变形情况及矿压　特征表现如下：　１）围岩变形严重，持续时间长．煤帮片帮问题严重，从现场的监测数据来看，巷道自开掘后的短短６０　ｄ　时间，煤帮位移量高达５００　ｍｍ，两帮收敛量达到顶底板收敛量的２．５倍以上，并伴随底板向上隆起，严重　影响矿井的正常安全生产．顶底和两帮的移近量较大，底鼓现象比较严重，总体围岩变形破坏严重，易自然　发火，在采煤工作面应力集中，矿压显现明显．　２）易受采动影响，应力环境复杂．回采巷道备受戊　一２３０１０孤岛工作面采动影响，与原始地应力等引　起巷道周边围岩出现应力叠加现象，造成巷道顶板岩层产生离层，局部甚至出现冒落．　２．２点载荷实验分析　针对戊。一２３０１０孤岛工作面所收集的岩样，运用ｚＮ一Ⅳ型点载荷仪进行了点荷载力学强度试验，其　中部分顶板岩石计算结果见表１所示．结果表明，根据点荷载计算方法，可得到各岩样的抗压强度为　６．８５７　２　ＭＰａ（底板）、７．１６４５　ＭＰａ（顶板）和４．３５４　ＭＰａ（煤样），强度较低，均属于软弱岩石．　矿业工程研究　２０１６年第３１卷　５　结论　１）较非孤岛工作面回采期间，在孤岛工作面回采期间，煤柱围岩产生大变形，承载能力降低，水平与　垂直压应力向围岩深部转移；巷道靠孤岛工作面侧出现压应力集中区．　２）对于孤岛工作面回采巷道的支护，在对巷道围岩整体加固的同时，增强对巷道两帮的支护强度，是　保障巷道能够均匀协调变形的关键．　３）巷道在该支护方案下，达到了预期的支护效果，巷道围岩整体处于稳定状态．　参考文献：　［１］黄炳香，刘长友，郑百生，等．超长孤岛综放工作面煤柱支承压力分布特征研究［Ｊ］．岩土工程学报，２００７，２９（６）：　９３２—９３７．　［２］康红普，颜立新，郭相平，等．回采工作面多巷布置留巷围岩变形特征与支护技术［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１２，３１　（１０）：２０２２—２０３６．　［３］宋艳芳，唐治，潘一山，等．孤岛工作面应力分布规律的数值分析［Ｊ］．中国地质灾害与防治学报，２０１２，２３（４）：６５—６８．　［４］刘长友，黄炳香，孟祥军，等．超长孤岛综放工作面支承压力分布规律研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，２６（ｓ１）：　２７６１—２７６６．　［５］王同旭，刘传孝，王小平，等．孤岛煤柱侧向支承压力分布的数值模拟与雷达探测研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００２，　２１（ｓ２）：２４８４—２４８７．　［６］李文峰，柏建彪，伊西锋，等．孤岛煤柱下沿空掘巷底鼓机理及控制技术［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１０，３８（４）：１７—２０．　［７］余伟健，冯涛，王卫军，等．软弱半煤岩巷围岩的变形机制及控制原理与技术［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１４，３３（４）：　６５８—６７１．　［８］余伟健，王卫军，黄文忠，等．高应力软岩巷道变形与破坏机制及返修控制技术［Ｊ］．煤炭学报，２０１４，３９（４）：６１４—６２３．　［９］ｊ：卫军，彭刚，黄俊．高应力极软破碎岩层巷道高强度耦合支护技术研究［Ｊ］．煤炭学报，２０１１，３６（２）：２２３—２２８．　［１Ｏ］姚琦，冯涛，王卫军，等．极破碎围岩半煤岩巷变形破坏机理及支护控制研究［Ｊ］．中国安全生产科学技术，２０１５，１１　（５）：３２—３９．