王 俊 張延剛
(山西霍寶干河煤礦有限公司,山西 洪洞 031400)
隨著采煤設(shè)備及技術(shù)水平的不斷革新,工作面推進速度較快,而受地質(zhì)條件等因素影響,掘進速度提升不明顯,礦井面臨采掘接替緊張問題。為保證礦井產(chǎn)能,存在工作面回采過程中或剛收作即掘進鄰近工作面巷道的現(xiàn)象,由于覆巖結(jié)構(gòu)未達到穩(wěn)定狀態(tài),該類動壓巷道所處應力環(huán)境復雜,圍巖變形顯著,支護難度大,對巷道的正常服務(wù)產(chǎn)生嚴重影響。針對動壓巷道圍巖控制難題,專家學者通過研究提出了卸壓技術(shù)與支護技術(shù),取得了良好的現(xiàn)場實踐效果[1-4]。
為解決干河礦2-118C1巷上方頂板不垮落的問題,控制動壓巷道圍巖變形,針對2-118C工作面開采參數(shù),提出了水力壓裂卸壓技術(shù),并優(yōu)化了原支護參數(shù)。
2-118C工作面位于+80 m水平一采區(qū)右翼,北側(cè)為2-112工作面,南側(cè)為2-118B工作面,西側(cè)為未開采實體煤,東側(cè)為一采區(qū)右翼皮帶巷。工作面埋深540~680 m,平均埋深590 m,工作面寬度為132 m,開采2#煤層,煤層平均厚度為3.72 m,平均傾角5°。工作面沿煤層走向布置有兩條回采巷道,2-118C1巷長度為1576 m,2-118C2巷長度為1776 m。2-118D1巷長度為706 m,2-118C1巷與2-118D1巷間存在寬22 m的煤柱。工作面布置情況如圖1。
圖1 工作面布置示意圖
由于2-118C1巷上方頂板較為堅硬,工作面推過后難以自然垮落,頂板懸露產(chǎn)生的集中應力傳遞至2-118C1巷與2-118D1巷間煤柱,加之2-118C工作面超前采動應力疊加影響,造成2-118D1巷頂板下沉、煤幫鼓出,影響巷道的正常使用,需提出控制技術(shù)解決動壓巷道圍巖大變形問題。
為解決堅硬頂板懸露問題,使得頂板能夠及時垮落,科研人員研究應用了水力壓裂技術(shù),并取得了良好的實踐效果。水壓致裂技術(shù)本質(zhì)上是通過高強水壓作用弱化巖體力學性能的技術(shù)。水力壓裂技術(shù)同爆破預裂技術(shù)相比有許多技術(shù)優(yōu)勢:首先該技術(shù)的實施不會妨礙工作面的正常生產(chǎn),便于實現(xiàn)高產(chǎn)高效;其次該技術(shù)危險性較小,操作較為安全,也能實現(xiàn)較好的頂板弱化效果。
(1)水力壓裂鉆孔設(shè)計
基于2-118C工作面地質(zhì)條件,設(shè)計水力壓裂鉆孔參數(shù)。水力壓裂鉆孔布置在工作面前方巷道內(nèi),鉆孔布置情況如圖2。
圖2 水力壓裂鉆孔布置參數(shù)
壓裂鉆孔布置于2-118C1巷頂板,同巷道軸向夾角為5°,于巷道肩窩處開孔,鉆孔長度50 m,孔間距10 m,傾角30°。試驗段巷道長度為360 m,共計施工36個鉆孔。壓裂壓力為15~29 MPa。
在試驗過程中,可根據(jù)鉆孔出水情況及壓裂效果,對壓裂參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化,避免因頂板大量淋水影響生產(chǎn),同時保證頂板及時垮落。
(2)現(xiàn)場實施效果
在2-118C工作面推進過程中,在2-118C1巷巷道內(nèi)進行了水力壓裂技術(shù)。通過水力壓裂措施對巷道頂板進行弱化卸壓,以保證工作面推過后巷道頂板能及時垮落,緩解因巷道頂板懸露造成的側(cè)向支承壓力集中和煤壁變形破壞。為驗證巷道頂板巖層裂化效果,通過鉆孔窺視探測水力壓裂前后頂板圍巖情況。
探測結(jié)果顯示,采取水力壓裂前孔壁結(jié)構(gòu)較為完整,水力壓裂后孔內(nèi)巖壁出現(xiàn)大量縱橫交錯的裂紋,如圖4所示??傻贸鐾ㄟ^實施水力壓裂,巷道頂板的力學性能被弱化,保證了鄰近巷道的圍巖穩(wěn)定。
圖3 水壓致裂前后鉆孔巖層破壞情況
(1)原支護存在問題分析
通過對巷道支護效果進行現(xiàn)場調(diào)查,發(fā)現(xiàn)原巷道支護存在以下問題:
① 錨索長度不足。原支護巷道頂板使用規(guī)格為Φ17.8 mm×4500 mm錨索,難以將錨索錨固在穩(wěn)定巖層內(nèi);② 支護強度不足。直徑17.8 mm設(shè)計承載能力較小,難以承受動壓巷道集中應力作用;③ 支護密度不足。原支護錨索間排距規(guī)格為2000 mm×2000 mm,錨桿間排距1000 mm×1000 mm。支護密度過低,對巷道圍巖的支護阻力較小,難以控制巷道圍巖變形。在2-118C1巷頂板懸露影響下,2-118D1巷頂板兩幫變形顯著,巷道多處出現(xiàn)支護失效。
根據(jù)高預緊力強力支護理論,針對動壓巷道圍巖變形破壞特點,提出通過采用W鋼護板提高護表面積,改善錨桿索預應力傳遞效果;同時通過提升錨桿索的預緊力,改善圍巖應力環(huán)境,使圍巖由二向應力狀態(tài)轉(zhuǎn)為三向受力狀態(tài),提升圍巖承載能力;根據(jù)原支護圍巖控制效果,提出增加錨索長度及錨桿索支護密度,從而加強支護-圍巖系統(tǒng)整體性和抗擾動能力。
(2)支護優(yōu)化參數(shù)
① 頂板支護。選用型號為Φ22 mm×2500 mm的錨桿,間排距均為800 mm, 配合為W鋼帶和菱形金屬網(wǎng)護頂。選用Φ21.8 mm×6300 mm的錨索,間排距1300 mm×1600 mm。要求錨索的預緊力不小于250 kN,錨桿、錨索均垂直頂板布置。
② 幫部支護。選用Φ22 mm×2500 mm的螺紋鋼錨桿,間排距均為800 mm,垂直巷幫布置,配合W鋼護板和菱形金屬網(wǎng)護幫。
(3)圍巖控制效果
為評價水力壓裂卸壓效果及支護參數(shù)設(shè)計合理性,在2-118D1巷掘進工作面布置了巷道表面位移觀測點監(jiān)測巷道的頂板下沉量、兩幫移近量和底鼓量。監(jiān)測數(shù)據(jù)整理如圖4。
圖4 巷道圍巖變形情況
① 隨著距掘進工作面距離的增加,巷道變形逐漸穩(wěn)定,頂板下沉量距掘進面45 m時保持穩(wěn)定,底鼓量在距30 m處保持穩(wěn)定,兩幫移近量在距掘進工作面60 m處保持穩(wěn)定。待巷道變形穩(wěn)定后,頂板下沉量為21 mm,兩幫移近量為74 mm,底鼓量為25 mm。
② 從圖4中可以看出,兩幫變形量明顯大于頂?shù)装遄冃瘟?,這是因為兩幫煤體強度較低,盡管加強了幫部支護強度,但在圍巖-支護系統(tǒng)中仍屬薄弱環(huán)節(jié)。
③ 根據(jù)圖4中巷道圍巖變形數(shù)據(jù),得出采用水力壓裂和對原支護參數(shù)優(yōu)化后,動壓巷道的變形量較小,圍巖變形量相比降低85%以上,表明巷道圍巖變形控制效果良好。
(1)為解決干河礦動壓巷道變形顯著問題,針對干河礦2-118C工作面開采條件,提出水力壓裂卸壓技術(shù)并對支護參數(shù)進行了優(yōu)化。
(2)采取水力壓裂卸壓技術(shù)后,巷道上方頂板能夠充分及時垮落,避免了因頂板懸露引起的側(cè)向應力集中現(xiàn)象。
(3)在卸壓的基礎(chǔ)上優(yōu)化了支護參數(shù),現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)顯示動壓巷道圍巖變形量較小,表明提出的圍巖變形控制技術(shù)較為合理。