武華杰

(太原東山煤電集團(tuán)生產(chǎn)(建設(shè))技術(shù)處，山西 太原 030000)

煤炭資源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，對(duì)促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要影響[1-2]。近年來(lái)，大部分地下礦山開(kāi)始了對(duì)近距離煤層的開(kāi)采，然而近距離下伏煤層巷道穩(wěn)定性問(wèn)題也隨之凸顯出來(lái)。由于兩煤層較近，上煤層回采產(chǎn)生的采動(dòng)應(yīng)力，往往導(dǎo)致下伏煤層巷道變形嚴(yán)重，巷道維護(hù)困難，增加了開(kāi)采難度[3-5]。為解決這一問(wèn)題，就需要研究近距離下伏煤層巷道變形特征及其控制方法，采取有效的技術(shù)手段，有效控制巷道變形發(fā)展，進(jìn)而保障工作面的安全回采。在這方面研究中，王艷斌優(yōu)化了近距離煤層回采巷道支護(hù)方案[6]；平明亮針對(duì)下伏煤層回采巷道提出了不同頂板厚度條件的支護(hù)方法[7]；賈波研究了近距離煤層開(kāi)采垮落帶和裂隙帶高度確定方法及巷道圍巖應(yīng)力變化特征[8]。本文以某煤礦近距離煤層工作面回采為工程背景，系統(tǒng)研究了近距離下伏煤層回采巷道變形特征及其控制方法，以保障巷道的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)礦山安全高效開(kāi)采。

1 工程概況

某煤礦主采4號(hào)與5號(hào)煤層，其中4號(hào)煤層厚1.03～1.45 m，平均厚1.32 m，9號(hào)煤層厚1.64～2.37 m，平均厚2.04 m，煤層傾角2～7°，平均傾角4°，兩煤層間7.6～13.5 m，平均間距9.03 m，為典型的近距離煤層開(kāi)采，煤巖體綜合柱狀圖見(jiàn)圖1。

圖1 煤巖體綜合柱狀圖

該礦5103工作面主采5號(hào)煤層，標(biāo)高606～675 m，走向長(zhǎng)1 435 m，寬186 m，其南端為5101采空區(qū)，在工作面西側(cè)分布軌道巷、膠帶巷與總回風(fēng)巷，其北端為5101工作面；4103工作面主采4號(hào)煤層，工作面走向長(zhǎng)1 235 m，寬85 m，兩煤層工作面位置關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 工作面位置關(guān)系圖

由于兩煤層間距較近，上煤層回采產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)其底板巖層造成一定破壞，進(jìn)而影響到下伏煤層巷道的穩(wěn)定性，導(dǎo)致巷道發(fā)生變形或者破壞。為此，需要針對(duì)近距離煤層回采條件，研究下伏煤層巷道變形特征，據(jù)此提出有效的巷道變形控制方法，保障工作面安全回采。

2 下伏煤層回采巷道變形特征分析

5號(hào)煤層工作面巷道采取沿空留巷方式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查觀測(cè)，巷道兩幫及頂?shù)装寰l(fā)生了明顯的變形，主要表現(xiàn)為巷道頂板下沉量最大，煤幫側(cè)均勻鼓起，充填體側(cè)呈現(xiàn)鋸狀凸起，巷道變形情況見(jiàn)圖3。

圖3 5103工作面巷道變形情況

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)于煤幫側(cè)錨桿受巷道變形影響，出現(xiàn)了錨桿整體被嵌入巷幫內(nèi)，以及部分錨桿松動(dòng)脫落現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)于煤幫側(cè)錨桿整體破壞情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(幫側(cè)每排3根錨桿)，巷道長(zhǎng)度60 m，煤幫上部錨桿破壞率達(dá)35.7%，中部錨桿破壞率達(dá)39.4%，下部錨桿破壞率達(dá)24.9%.可以看出，錨桿以中上部破壞為主。對(duì)于頂錨桿索的破壞，主要表現(xiàn)為錨桿索拉剪破斷失效以及整體松動(dòng)脫落兩種類型；對(duì)于充填體側(cè)的錨桿破壞，主要表現(xiàn)為錨桿嵌入頂?shù)装寮八蓜?dòng)脫落兩種類型，錨桿索破壞情況見(jiàn)圖4。

圖4 錨桿索破壞情況

綜合分析，對(duì)于巷道的變形發(fā)展，整體表現(xiàn)為頂板及兩幫變形較大，底板變形相對(duì)較小?，F(xiàn)用的錨桿+錨索+金屬網(wǎng)支護(hù)形式不能有效控制巷道的變形發(fā)展，需改進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)巷道圍巖變形的有效控制。

3 巷道圍巖變形控制方法

3.1 技術(shù)方案

針對(duì)該礦下伏5號(hào)煤層工作面留巷變形特征，研究提出巷道加強(qiáng)支護(hù)與切錨一體化相結(jié)合的巷道變形控制方法，見(jiàn)圖5，即在巷道加強(qiáng)支護(hù)基礎(chǔ)上，采用切頂卸壓與注漿錨索支護(hù)相結(jié)合控制巷道變形。對(duì)于切頂卸壓，主要采用水力壓裂方法實(shí)施在工作面頂板超前支護(hù)位置，待頂板裂隙發(fā)育后，在超前支護(hù)位置采用注漿錨索進(jìn)行注漿加固。二者的相互結(jié)合，一方面可以減少因水力壓裂產(chǎn)生的懸頂長(zhǎng)度，另一方面可以實(shí)現(xiàn)頂板的有效卸壓，限制頂板離層發(fā)展，保障巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖5 切錨一體化方法示意

3.2 巷道加強(qiáng)支護(hù)方法

該礦5103工作面沿空留巷斷面尺寸為長(zhǎng)×寬×高=4.2 m×2.5 m×3.0 m，巷道采取π型梁+單體支柱結(jié)構(gòu)的“一梁三柱”加強(qiáng)支護(hù)方式，兩側(cè)單體支柱距離梁頭0.25 m，距兩幫0.5 m，梁距1.5 m；煤幫側(cè)錨桿間距0.8 m，長(zhǎng)2.0 m，上部錨桿距頂板0.3 m，下部錨桿距底板0.2 m，在煤幫中心位置補(bǔ)打1根鋼絞線錨索；頂板錨桿間距0.8 m，長(zhǎng)2.3 m；頂板錨索間距0.8 m，長(zhǎng)6.5 m。隨工作面推進(jìn)，當(dāng)留巷段距工作面達(dá)150 m時(shí)，可對(duì)單體支護(hù)進(jìn)行回收，巷道加強(qiáng)支護(hù)方式見(jiàn)圖6。

圖6 巷道加強(qiáng)支護(hù)圖(mm)

3.3 巷道切錨一體化穩(wěn)固方法

在工作面前方約160 m位置的巷道頂板沿工作面走向布置20排水力壓裂鉆孔，鉆孔傾角60°，長(zhǎng)25 m，排距9 m，致裂壓力為55 MPa，采取倒退壓裂方式，有效壓裂范圍12～23 m，布置方式見(jiàn)圖7。

圖7 壓裂鉆孔布置方法圖

相鄰壓裂鉆孔間布置5排注漿錨索，每排布置3根，注漿錨索間排距為1.2 m×1.6 m，注漿錨索與巷道頂板相互垂直，注漿錨索規(guī)格為D2.16 mm×6 300 mm，與巷道鋼絞線錨索交錯(cuò)布置，注漿錨索布置方式見(jiàn)圖8。

圖8 注漿錨索布置圖(mm)

4 數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模型構(gòu)建

為了驗(yàn)證所提出巷道變形控制方法的可靠性，采用FLAC3D軟件進(jìn)行切頂卸壓與注漿錨索加固數(shù)值模擬分析，根據(jù)礦山煤巖體綜合柱狀圖，構(gòu)建數(shù)值分析模型如圖9所示，模型長(zhǎng)×寬×高=480 m×510 m×190 m，為避免邊界效應(yīng)影響，在工作面傾向留設(shè)50 m邊界，走向留設(shè)130 m邊界，數(shù)值模擬用巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

圖9 數(shù)值分析模型

4.2 切頂卸壓數(shù)值結(jié)果分析

分別模擬回采5103工作面與4105工作面，巷道垂直應(yīng)力變化情況見(jiàn)圖10。可以看出，兩工作面回采時(shí)，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)。當(dāng)回采5103工作面時(shí)，巷道煤幫側(cè)最大垂直應(yīng)力約為22 MPa，充填墻側(cè)約為18.5 MPa；當(dāng)回采4105工作面時(shí)，巷道煤幫側(cè)最大垂直應(yīng)力約為21.5 MPa，充填墻側(cè)約為17.5 MPa。巷道切頂卸壓效果顯著。

圖10 巷道垂直應(yīng)力分布圖

4.3 注漿錨索加固數(shù)值結(jié)果分析

工作面回采巷道位移變化情況見(jiàn)圖11。隨工作面回采，巷道頂板最大垂直位移約為480 mm，底板最大垂直位移約為325 mm；巷道煤幫側(cè)最大水平位移約為375 mm，充填墻側(cè)最大水平位移約為285 mm。與切錨一體化控制圍巖變形方法實(shí)施前相比，巷道整體變形得到了明顯的控制，整體變形量較小。

圖11 巷道位移分布圖(mm)

綜合數(shù)值模擬分析，采取切錨一體化巷道變形控制方法，可以有效控制巷道變形發(fā)展，保障工作面回采的安全可靠。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方案的可靠性，在5號(hào)煤層5103運(yùn)巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)巷道變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分別在工作面前方約200 m位置與100 m位置布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)A與B，其中A監(jiān)測(cè)點(diǎn)為未試驗(yàn)段，B監(jiān)測(cè)點(diǎn)為試驗(yàn)段，用來(lái)監(jiān)測(cè)巷道兩幫及頂板位移變化情況，監(jiān)測(cè)周期60 d。

巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示，隨著工作面推進(jìn)，巷道頂?shù)装寮皟蓭驼w位移表現(xiàn)為快速增加-緩慢增加變化特征。巷道變形趨于穩(wěn)定后，對(duì)于試驗(yàn)段A測(cè)點(diǎn)，頂板下沉量達(dá)1 164 mm，兩幫移近量達(dá)765 mm；對(duì)于試驗(yàn)段B測(cè)點(diǎn)，頂板下沉量達(dá)475 mm，兩幫移近量達(dá)372 mm，巷道實(shí)施切錨一體化控制方法后，頂板下沉量降低59.2%，兩幫移近量降低51.4%.綜合分析，采用水力壓裂切頂與注漿錨索相結(jié)合的圍巖變形控制方法，有效保障了巷道的穩(wěn)定性。

圖12 巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 下伏煤層回采巷道呈現(xiàn)頂板整體下沉及充填墻側(cè)鋸狀凸起變形特征，錨桿(索)主要為拉剪破斷及松動(dòng)失效破壞特征，表明現(xiàn)用支護(hù)手段無(wú)法滿足巷道穩(wěn)定性要求，需改進(jìn)支護(hù)方法。

2) 針對(duì)巷道圍巖變形控制，在加強(qiáng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，研究提出了水力壓裂切頂與注漿錨索相結(jié)合的巷道變形控制方法；通過(guò)數(shù)值模擬分析，該方法可以將巷道圍巖壓力控制在22 MPa以下，巷道變形控制在480 mm以下，使巷道變形發(fā)展得到有效控制。

3) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)施切錨一體化控制方法后，巷道頂板下沉量降低59.2%，兩幫移近量降低51.4%，有效保障了巷道的穩(wěn)定性。