冲击危险性工作面巷道失稳原因及超前支护研究
时间：2023-04-16 08:45:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
宋振江 王海博
（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 713500）
具有冲击危险性的综放工作面超前支护段受回采扰动，其支承压力一般为原岩应力的2～4 倍，更易产生巷道失稳现象[1]。40207 运输顺槽具有冲击危险性，维护巷道稳定是安全生产首要考虑的问题。
1.1 工程概况
40207 工作面开采4#煤，埋深780 m，厚度为17～35 m。工作面南北两侧分别是40209 和40205综放工作面，西侧紧邻边界保护煤柱，东侧为大巷保护煤柱。40207 运输顺槽位于煤层中部，全长2.2 km，巷宽5.8 m，巷高3.5 m，矩形巷道，采用锚索网联合支护方式。巷道顶板岩性表见表1。
表1 巷道顶底板岩性
1.2 工程问题
4#煤厚17～35 m，40207 运输顺槽位于煤层中部，埋深780 m，巷道四周均为质地较软的实体煤，基本顶为厚度13～14 m 的坚硬岩层。地应力高，煤体内部应变能较大，有潜在的冲击矿压风险，巷道易产生片帮、底鼓等失稳现象。
根据工程背景及工程问题，通过对40207 工作面应力分布进行分析确定巷道失稳原因。工作面应力分布图如图1。
图1 工作面应力分布图
（1）采煤工作面煤壁一端支撑着工作面上方裂隙带及其上覆岩层的大部分重量，即图1 中的Ⅰ区域。Ⅰ区域支承压力远大于Ⅲ区域支承压力，最大值发生在BⅠ区域，峰值达到原岩应力的2～4 倍，即应力集中系数K∈（2，4）。应力集中系数过高会对巷道支护结构产生影响，加速巷道变形，且应力会通过帮部传递到底板，会诱发底板底鼓现象。
（2）B 区域内支承压力峰值区域可深入煤体2～10 m，影响范围可达Ⅰ区域向后90～100 m。由于回采工作面的推进，Ⅰ区域上方的支承压力随着推进移动，两巷长期受到周期来压的影响。在回采期间，因高集中静载和剧烈动载的叠加扰动，有可能发生冲击矿压，对巷道支护产生影响，致使巷道失稳[2]。
综上所述，冲击矿压和超前支承压力是影响40207 运输顺槽失稳的两个主要因素。
由前文可知，回风顺槽超前支护段长度L=150 m。根据经验公式，计算超前支护段总载荷，确定主动支护能力以及超前支护阻力是否满足超前段的总载荷[3]。
计算超前段顶板总载荷F，见式（1）：
式中：H为巷高，取3.5 m；
B为巷宽，取5.8 m；
D为埋深，取780 m；
γ为岩层容重，取25 kN/m3；
φ为内摩擦角，取45°；
C为黏结系数，取4。经式（1）计算得出F=198 147 kN。
3.1 巷道主动支护能力核定
由工程概况可知，巷道采用锚索网支护，考虑到冲击矿压会使巷道主动支护能力产生损耗，所以在计算主动支护阻力时需乘以支护效率。运输顺槽顶板支护参数见表2。
表2 运输顺槽主动支护参数
计算超前支护段（150 m）锚杆以及锚索提供的支护阻力，见式（2）：
式中：Fz为主动支护提供的阻力。经式（2）计算得出回风顺槽Fz=240 750 kN，满足超前段支护需要。
3.2 超前防冲液压支架参数确定
为降低冲击矿压和超前支承压力对40207 运输顺槽失稳产生的影响，根据《煤矿安全规程》以及上述分析确定超前支护段支护距离为L=150 m。对峰值区域范围（0～10 m）内应加强超前支护能力，选用高阻力超前防冲液压支架；
对超前支承压力影响范围（10～140 m）选用超前防冲液压支架，如图2。
图2 超前防冲液压支架
在冲击矿压发生期间，防冲液压支架可以通过自身吸能装置，降低承受载荷，确保支架在冲击作用下的正常支护。
超前防冲液压支架最小载荷应大于超前支护段单位载荷，计算超前支护段单位载荷（P），见式（3）：
经 式（3） 计 算 得 出P=227 kN/m2=0.227 MPa。经综合考虑，选用支护强度为0.47 MPa 的ZQL2×3200/19/3 防冲超前液压支架[4]。
4.1 超前支护现场
根据上述结果，结合工作面背景综合考虑，确定40207 回风顺槽超前支护方案为：采用39 台超前防冲液压支架，其中采用2 台ZQL2×3200/19/38六柱超前防冲液压支架支护10 m（支承压力峰值区域）、35 台ZQL2×3200/19/38 中部防冲液压支架配合2 台ZQL2×3200/19/38 防冲液压支架（带绞车）支护140 m（支承压力影响范围）。
4.2 现场监测
距切眼150 m 处布置一个观测站，分别监测顶板下沉量、两帮移近量（3 个测点，分别位于巷道顶板中部、两帮距离底板1.5 m 处）。工作面每向前推进10 m 测一次，共测15 次。监测结果如图3。
图3 运输顺槽围岩变形监测
由图3 可知，随着工作面回采推进，与测点距离越近巷道变形量逐渐增加，顶底板移近量48 mm，两帮移近量43 mm。顶底板以及两帮移近量都控制在50 mm 以内，控制效果良好，满足工作面安全生产的需要。
（1）冲击矿压和超前支承压力是影响40207运输顺槽稳定性的两个主要因素。
（2）确定40207 回风顺槽超前支护区域为150 m，选择采用超前防冲击液压支架支护巷道。通过计算得出超前支护段150 m 总载荷，核算超前支护段主动支护能力，确定超前防冲液压支架支护阻力，选取阻力为0.47 MPa 的ZQL2×3200/19/3 超前防冲液压支架支护巷道。
（3）经现场验证，巷道顶底板移近量为48 mm，两帮移近量为43 mm，满足40207 运输顺槽维稳需求，确保工作面安全生产。
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