专题-孤岛工作面巷道围岩变形规律研究.doc

1、专题部分孤岛工作面巷道围岩变形规律研究摘要：通过对淮南矿业集团谢桥煤矿1131（3）孤岛工作面上下顺槽巷道围岩变形规律的观测，分析孤岛工作面巷道变形规律，并且实施相应的巷道支护方案。研究得出了孤岛工作面上下顺槽、巷道两帮与顶底板、浅部与深部围岩的变形特点及差异，对现场支护工作及其他孤岛工作面回采巷道维护有一定指导意义。关键词：孤岛工作面；围岩变形；巷道支护0 引言为避免生产和接续工作面之间的干扰、防治煤层自燃和瓦斯，采区内工作面之间有时被迫采用跳采接续方式，不可避免地在采区内形成至少一个沿工作面走向方向两侧均为采空区的工作面，或工作面三边、四周均为采空区的工作面，这样的工作面称为孤岛工作面。研

2、究表明，孤岛工作面及其周围巷道附近应力集中程度高, 顶板运动剧烈, 再加上地质构造的影响,动载系数、支护强度、顶板下沉量和片帮深度等均有明显,增大矿压显现更加剧烈，。如果支护技术不合理, 则会导致巷道围岩变形剧烈, 很容易引发冲击矿压等危险事故, 严重威胁着矿井的安全生产.。孤岛工作面回采, 由于工作面周围均已采空, 围岩压力大, 巷道变形破坏十分严重, 对工作面安全回采影响极大。目前, 关于孤岛工作面回采还存在着许多技术难题,鉴于此,本文将通过几个典型孤岛工作面的现场实践介绍综放孤岛工作面矿压显现特征、巷道围岩变形特征及回采中存在的问题和采取的相应措施, 得出一些有益的结论。1 孤岛工作面1

3、.1孤岛工作面开采技术现状煤层开采引起回采空间周围岩层应力重新分布,不仅在回采空间周围的煤柱上造成应力集中,而且该应力将向底板岩层深部传递,造成布置在底板岩层或煤层中的巷道变形急剧增大. 而孤岛工作面楼上楼巷道可以说是此类问题中最复杂,受开采掘进影响最严重的巷道,因此支护问题尤显突出.近年来,国内外许多学者在这个问题上提出了很多好的建设性的意见和建议,在实践中也取得了很好的效果. 但是巷道围岩控制机理研究方面进展不大。运输、回风两巷均为沿空掘进巷道的工作面，习惯上称为“孤岛工作面”。孤岛工作面的运输、回风两巷由于受上下采空区和工作面回采双重压力的影响，靠近采空区边缘的煤柱处出现比原始应力高数倍

4、、十几倍甚至更大的支承压力，致使巷道破坏和收敛变形十分严重，对工作面安全回采影响极大。多年来，我们对沿空掘进巷道两巷的矿山压力显现及两巷支护工艺和综合治理措施进行了深入的探索和研究，已经总结出了若干较好的办法。本文将通过典型孤岛工作面实例进行全面介绍。1. 2孤岛工作面围岩变形规律在综放孤岛工作面回采过程中，常常会出现矿压显现强烈，顺槽围岩变形大等现象，导致工作面回采困难并影响安全生产。通过研究顺槽围岩变形、超前支撑压力规律，为类似工作面巷道布置、支护参数选择等提供供可靠依据。下面将以济宁三号煤矿为例通过孤岛工作面的巷道变形来体现孤岛工作面的矿压显现规律。济宁三号煤矿位于山东省济宁煤田中部，采

5、煤方法主要采用综采放顶煤。由于现场地质条件及开采接续需要，造成了部分工作面设计成“孤岛”。其中，53下05 工作面回采过程中矿压显现强烈，顺槽围岩变形严重，两巷维护困难并影响安全生产。1.2.1 53下05( 北) 综放工作面概况 1）地质状况 53下05( 北) 工作面位于五采区中北部，为“孤岛”工作面，西临53下06( 北) 工作面( 已采) ，东临53下04( 北) 工作面( 已采) ( 图1) 。回采煤层为山西组3煤层，平均采深659 5m，结构简单，f = 1 2。工作面西部煤层相对较厚，东部较薄，平均煤厚2 99m，为较稳定的中厚煤层。老顶为中细砂岩，平均厚度19 46m，f =

6、6 8。直接底为粉砂岩，平均厚度为3 46m，f = 4 6。老底为细砂岩，平均厚度为7 53m，f = 6 8。1 2 巷道布置及支护参数53下05( 北) 胶顺为沿空巷道，矩形断面，净宽 净高= 4 5 图1 53下05( 北) 工作面位置示意图 3 0m，净面积13 5m2。采用锚网索支护，顶板锚杆为: 22mm，L = 2200mm，设计锚固力150kN/根; 两帮锚杆为: 20mm，L = 1800mm，设计锚固力100kN/根。锚杆间排距均为800 800mm，顶、帮部锚杆均为螺纹钢树脂锚杆。锚索为: 18mm，L =6500mm，设计锚固力200kN/根，间排距为1500 240

7、0mm。2）巷道布置及支护参数53下05( 北) 胶顺为沿空巷道，矩形断面，净宽 净高= 4 5 3 0m，净面积13 5m2。采用锚网索支护，顶板锚杆为: 22mm，L = 2200mm，设计锚固力150kN/根; 两帮锚杆为: 20mm，L = 1800mm，设计锚固力100kN/根。锚杆间排距均为800 800mm，顶、帮部锚杆均为螺纹钢树脂锚杆。锚索为: 18mm，L =6500mm，设计锚固力200kN/根，间排距为1500 2400mm。工作面辅顺为沿空巷道，矩形断面，其他设计支护参数及锚杆选型与胶顺相同。3）生产技术条件53下05( 北) 工作面采用走向长壁综采放顶煤一次采全高采

8、煤法。工作面推进长度为1250 9m，工作面面长220 5m，采高2 8 0 2m，工作面布置液压支架153 组，其中机头布置排头支架3 组，机尾布置3 组。工作面选用中间液压支架ZFS7200 /18 /35，ZFS6200 /18 /35 工作阻力是6250 kN; 上下端头选用ZFG9000 /22 /38 型放顶煤排头支架。两顺槽超前支护方式采用顺槽支架支护，胶顺选用ZT24500 /18 /35 型支架，辅顺选用ZT107000 /22 /38 型支架。1.2.2 孤岛工作面顺槽围岩变形情况分析1）观测方案该工作面推出切眼280m 以后，胶顺段超前区域围岩变形逐渐变大。工作面推出切眼

9、450m，胶顺段超前区域围岩变形加剧，安全通道变小，对生产安全造成了一定的影响。 ( 1) 为了观测超前顺槽支架拉移期间的顶板活动情况，利用顶板动态仪进行观测，在胶顺第一组与第二组支架沿空侧支设1#顶板动态仪，每隔2 小时读数一次，当支架拉至动态仪时，应及时重新支设动态仪，记录变化读数。同时，为了监测工作面采动时的采动影响距离及影响程度，在距煤壁80m 处支设2#顶板动态仪实施定点固定监测。 ( 2) 为了准确地观测出胶顺巷道距煤壁80m 范围内采动期间的变形数据，在现场布设了5 组固定测点，采用十字交叉法、“E”形测量法观测顶板、底板活动规律，巷道两帮变形规律。其中1#、2#、3#、4#、5

10、#测点分别布置在距煤壁14m、26m、50m、71m、87m 处，重点测量采动影响区域及不同时期的影响程度。2） 监测数据根据1 5#测点所得的数据分析，其中4#测点很具有代表性，所测得数见表1。 3）围岩变形分析 现对4#测点数据进行图形分析，其围岩变形分析如图2。根据围岩变形分析可知，4 #测站自距离煤壁80m 处开始逐步推至距煤壁60m，围岩变形总体比较稳定，变形量、变形速度均比较小。测点距工作面煤壁距离60 40m 范围内由于地鼓显现明显导致顶底移近量增大。根据图形总体分析，可以看出当工作面距测站40m 时，各项数据( 变形量及变形速度) 都明显增大。工作面距测站20m 时，两帮移近量

11、及两帮移近速度变化明显，增大趋势明显。 4）顶板动态仪监测结果为了观测超前顺槽支架拉移期间的顶板活动情况，在胶顺第一组与第二组支架沿空侧支设的1#顶板动态仪，监测结果显示支架升降拉移时，顶板下沉量最大的为16mm，一般均在7mm 左右，按照一天割煤8 刀推算，胶顺一组支架就需要8 次拉移升降架，则顺槽支架上方顶板每天的下沉量在56 148mm 之间。推算结果与5 组测站实际监测结果基本吻合。在距煤壁80m 处支设2#顶板动态仪实施定点固定监测，4 天时间监测出顶底板移近总量84 88mm。从前面监测数据可以看出，主要是底鼓量。也就是说明孤岛工作面采动影响范围大于80m，而且主要表现为底鼓和沿空

12、帮底脚外鼓1.2.3 孤岛工作面围岩变形与矿压规律总结 （1）严重影响区域: 受采动影响变形严重区域主要在距煤壁20m 以内。由于受回采动压的强烈影响，该区域巷道围岩变形剧烈增加，其中，顶板移近速度大于21mm/d，最大36mm/d，两帮移近速度大于65mm/d，最大72mm/d，顶底及两帮累计移近量分别达到476mm、400mm。 ( 2) 一般影响区域: 距煤壁20 60m，在该区域由于巷道受到采场超前支撑压力与采空区侧向支撑压力的共同影响，巷道的变形速度增加，其中，顶板移近速度大于2mm/d，最大6mm/d，两帮移近速度大于16mm/d，最大20mm/d。 ( 3) 基本无影响区域: 基

13、本无采动影响区域为60m以外范围。该范围内巷道受回采影响较小，围岩移动速度较小，两帮围岩移近速度最大不超过14mm/d，巷道围岩维护状况良好。( 4) 沿空帮与实体帮变形量比率大约为4: 3。从距煤壁80m 处测点看，如果不采取任何措施，两帮最大移近量可能会达到700mm。建议最大限度将转载机及顺槽支架靠近回采帮，根据现场实际情况，可考虑在回采帮进行适当开帮处理。( 5) 沿空帮帮部自上而下鼓出量逐渐变大，为避免变形过大影响生产安全，建议类似孤岛工作面巷道设计为梯形断面或者扩大巷道设计宽度，提前设计出回采期间的让压变形空间。1. 3孤岛工作面沿空掘巷围岩控制技术随着煤炭资源不断的开采, 我国煤

14、矿开采深度逐年增加, 为了避免连续工作面之间的干扰和安全开采的需要, 不可避免地形成孤岛工作面和沿不稳定采空区掘巷。孤岛工作面及其周围巷道附近应力集中程度高, 顶板运动剧烈, 再加上地质构造的影响, 如果支护技术不合理, 则会导致巷道围岩变形剧烈, 很容易引发冲击矿压等危险事故, 严重威胁着矿井的安全生产。2204 工作面是新桥煤矿第一个孤岛工作面, 研究在孤岛工作面支承压力分布规律的基础上, 形成适合新桥煤矿孤岛工作面沿空掘巷合理的支护参数, 对新桥煤矿后续类似条件下沿空巷道支护设计和安全开采具有重要的意义。1.3.1 新桥煤矿第一个孤岛工作面2204 工作面工程背景 2204工作面煤层稳定

15、, 厚度变化较小, 最小2. 2 m, 最大4. 45m, 平均3. 1 m。局部煤层有夹矸,煤岩类型以亮煤为主, 工作面的煤层顶、底板砂岩水较丰富, 回采过程中可能有少量的顶板淋水及底板渗水。该工作面位于新桥煤矿北二采区, 东部为2206综采工作面(已采) , 西部为2202综采工作面(已采), 南部为北二采区胶带运输大巷, 北部为F19断层(已揭露)、DF18断层(已揭露)。2204工作面巷道布置平面图见图1。1.3.2孤岛工作面围岩应力分布孤岛煤柱开采工作面上覆岩层运动规律和采场矿压显现规律与非孤岛开采条件下有很大差别。对比一般非孤岛工作面开采时上覆岩层运动规律, 孤岛开采条件下工作面应力集中明显, 巷道支护困难,覆岩离层和断裂高度明显增大。采用FLAC5. 0 数值模拟软件, 分析新桥煤矿2204孤岛工作面围岩应力分布情况, 为选择沿空巷道合理的掘进位置和有效地支护阻力提供理论指导, 其压力分布特征见图2。当2204孤岛工作面两侧的煤层开采后, 孤岛工作面周围的支承压力重新分布, 从图2中可以看出,孤岛工作面两侧的支撑压力呈对称的马鞍型分布,靠近采空区侧的煤体受支承压力作用, 支承压力峰值可达16MPa; 在采空区边缘煤体存在一个相对低应力状态的区域, 即煤体的破裂区和塑性区, 在这个区域掘进巷道, 载荷相对较小, 较容易维护。1.3.3 沿空掘巷合理煤柱留