劉戰(zhàn)方

(晉城金成礦山建筑工程有限公司，山西 晉城 048000)

隨著煤炭資源開(kāi)采時(shí)間的增加，井工煤礦開(kāi)采深度逐漸增大，礦井巷道所面臨的圍巖條件、應(yīng)力環(huán)境愈加復(fù)雜，巷道也不可避免地受到鄰近工作面的采掘動(dòng)壓影響，僅通過(guò)傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù)已難以控制圍巖變形。沁水東大煤礦中央軌道大巷受到3101工作面采動(dòng)影響后，圍巖失穩(wěn)變形破壞嚴(yán)重，已無(wú)法滿足使用要求，故以中央軌道大巷地質(zhì)復(fù)賦存條件為背景，采用數(shù)值模擬、理論分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)反饋等方法，研究對(duì)應(yīng)回采工作面對(duì)大巷穩(wěn)定性的影響，制定針對(duì)性的圍巖控制方案，解決大巷在采動(dòng)影響下失穩(wěn)變形的問(wèn)題，同時(shí)為類似條件巷道圍巖控制提供可靠的參考。

1 工程概況

沁水東大煤礦中央軌道大巷地面標(biāo)高+702.547 m，工作面標(biāo)高+25.95～+125.226 m，蓋山厚度577.32～676.6 m，位于西大村以北，距離3號(hào)煤層底板平均約8.7 m，服務(wù)首采面開(kāi)采完成，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 568.4 m，具體坡度根據(jù)煤層變化適當(dāng)調(diào)整，采用直墻半圓拱斷面，掘進(jìn)寬度4.8 mm，掘進(jìn)高度3.8 mm，墻高1 400 mm，采用“錨網(wǎng)索噴”聯(lián)合支護(hù)，頂板采用螺紋鋼錨桿配合長(zhǎng)錨索進(jìn)行支護(hù)，幫部采用螺紋鋼錨桿配合短錨索進(jìn)行支護(hù)，噴厚150 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，鋪底厚度為150 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 中央軌道大巷支護(hù)斷面(mm)

2 中央軌道大巷破壞特征及機(jī)理分析

中央軌道大巷服務(wù)于3號(hào)煤首采區(qū)，三條大巷集中布置在采區(qū)中部，中央回風(fēng)大巷、中央膠帶大巷布置在3號(hào)煤層中，回采工作面布置在大巷兩側(cè)，工作面由采區(qū)邊界向大巷方向推進(jìn)，3101工作面為首采工作面，距中央軌道大巷水平距離50 m處停采。中央軌道大巷掘巷期間，巷道表面噴層無(wú)明顯開(kāi)裂，圍巖整體穩(wěn)定，當(dāng)?shù)V井投入生產(chǎn)后，受到3101工作面采動(dòng)影響，中央軌道大巷對(duì)應(yīng)巷段出現(xiàn)明顯的變形破壞現(xiàn)象，且工作面距停采線愈近，巷道破壞特征愈明顯，巷道典型的破壞情況如圖2(a)、(b)所示，表面噴層開(kāi)裂、脫落，幫部鼓包、內(nèi)移，局部達(dá)到500～600 mm，頂板多處出現(xiàn)網(wǎng)兜、下沉現(xiàn)象，下沉量最大處可達(dá)500 mm，經(jīng)歷反復(fù)的變形—整修—變形—整修過(guò)程，已嚴(yán)重威脅礦井的安全高效生產(chǎn)。

結(jié)合3號(hào)煤層首采區(qū)開(kāi)拓、回采巷道布置情況，采煤工作面回采期間，其前方巖層內(nèi)將形成超前支承壓力影響區(qū)[1]，在超前支承應(yīng)力作用下，中央軌道大巷周圍巖層內(nèi)垂直應(yīng)力逐漸增大，圍巖變形破壞，引起巷道斷面收縮，因此可知，回采工作面動(dòng)壓影響是導(dǎo)致中央軌道大巷失穩(wěn)變形的關(guān)鍵因素。采動(dòng)影響下支撐應(yīng)力示意如圖2(c)所示。

圖2 中央軌道大巷破壞概況及支承應(yīng)力示意

3 合理保護(hù)煤柱寬度研究

為選擇更加合理的保護(hù)煤柱寬度，依據(jù)3號(hào)煤層一采區(qū)地質(zhì)條件建立圖3(a)所示模型[2]，模型寬度為280 m，高度為84 m，厚度為20 m，中央回風(fēng)大巷、膠帶大巷布置在3號(hào)煤層中，采用矩形斷面，中央軌道大巷布置在3號(hào)煤層下方的泥巖中，巷道斷面為直墻半圓拱形，模型頂面距地面約550 m，均布載荷為13.85 MPa，模型X軸左右、Y軸前后邊界設(shè)置固定位移邊界條件，Z軸下部邊界設(shè)置固定位移邊界條件，模擬時(shí)，首先計(jì)算平衡得到初始地應(yīng)力場(chǎng)，然后進(jìn)行三條開(kāi)拓大巷的開(kāi)挖支護(hù)，計(jì)算平衡后進(jìn)行工作面的回采。參閱相關(guān)學(xué)者研究成果[3-4]，假設(shè)保護(hù)煤柱寬度為50～120 m，變化梯度為10 m，工作面回采完畢后，統(tǒng)計(jì)中央軌道大巷頂?shù)装寮皟蓭偷淖畲笞冃瘟?，整理得到圖3(b)所示結(jié)果。

圖3 數(shù)值模型及分析結(jié)果

根據(jù)圖3(b)所示結(jié)果可以看出，當(dāng)預(yù)留100～120 m保護(hù)煤柱時(shí)，中央軌道大巷兩幫移近量最大為156 mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?55 mm。不同保護(hù)煤柱寬度條下，巷道表面變形量差異較小，表明此時(shí)中央軌道大巷未進(jìn)入回采工作面超前支承壓力影響區(qū)；預(yù)留70～90 m保護(hù)煤柱寬度，兩幫移近量由193 mm增大為310 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量由189 mm增大至289 mm，巷道表面變形量增大較明顯，底鼓量增幅最為明顯，說(shuō)明此時(shí)中央軌道大巷已受到工作面采動(dòng)影響，但影響程度適中，巷道表面變形量仍在合理范圍內(nèi)，不影響其正常使用功能；當(dāng)預(yù)留保護(hù)煤柱寬度小于70 m后，兩幫相對(duì)移近量最大值為463 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大值為445 mm，巷道斷面整體變形較嚴(yán)重，表面此時(shí)中央軌道大巷收到回采工作面劇烈的動(dòng)壓影響，已無(wú)法滿足其正常使用的要求；綜上所述，保護(hù)煤柱寬度為70～90 m之間時(shí)，巷道穩(wěn)定性較好，考慮到煤炭采出率，確定最佳保護(hù)煤柱寬度為70 m。

4 堅(jiān)硬頂板水力切頂卸壓技術(shù)研究

工作面回采完成后，停采線附近采空區(qū)上方未充分?jǐn)嗔?、垮落的?jiān)硬基本頂形成懸臂結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致中央軌道大巷圍巖內(nèi)應(yīng)力長(zhǎng)期集中的重要原因，因此考慮采用切頂技術(shù)使懸臂結(jié)構(gòu)斷裂垮落。結(jié)合3號(hào)煤層一采區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，3號(hào)煤層直接頂為厚度約2.5 m的粉砂巖，直接頂上方依次為細(xì)砂巖(厚10 m)、粉砂巖(5.2 m)、中砂巖(7.7 m)。本次切頂?shù)闹饕繕?biāo)是距3號(hào)煤層21.5 m的中砂巖，次要目標(biāo)是距3號(hào)煤層8.5 m的細(xì)砂巖。不同的切頂位置對(duì)切頂效果具有重要影響。為確定合理的切頂位置，查閱相關(guān)研究成果，初步提出切頂位置與停采線水平距離分別為20 m、15 m、10 m三種方案。采用前文模型進(jìn)行模擬分析，整理得到圖4所示結(jié)果。

圖4 數(shù)值模擬分析結(jié)果

圖4(a)所示為巖體內(nèi)垂直應(yīng)力變化規(guī)律，可以看出，隨著壓裂位移與停采線距離增大，中央軌道大巷圍巖內(nèi)垂直應(yīng)力呈減小趨勢(shì)。壓裂位置與停采線距離為20 m、15 m、10 m，相對(duì)未切頂垂直應(yīng)力分別下降了3.69%、5.01%、7.44%.不同壓裂位置條件下，集中軌道大巷表面最大位移量如圖4(b)所示，切頂后頂?shù)装?、兩幫相?duì)移近量均明顯減小。壓裂點(diǎn)與停采線水平距離20 m、15 m時(shí)，巷道表面變形量差異較大；壓裂點(diǎn)與停采線水平距離為10 m時(shí)，巷道表面變形量減幅很??；隨著壓裂點(diǎn)與停采線水平距離的減小，停采線附近的垂直應(yīng)力呈上升趨勢(shì)，將影響工作面回采結(jié)束后的回撤。因此，綜合考慮中央軌道大巷圍巖應(yīng)力、變形及液壓支架回撤難易程度等因素，選擇與工作面停采線水平距離15～20 m處作為壓裂點(diǎn)。

5 水力壓裂技術(shù)應(yīng)用

3102工作面距中央軌道大巷70 m處停采，在停采線處進(jìn)行水壓致裂技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)。設(shè)計(jì)A、B兩種壓裂孔形式，采用直徑56 mm的鉆頭施工，鉆桿直徑44 mm，在停采線處進(jìn)行鉆孔施工。A類終孔距停采線水平距離為15 m，B類終孔距停采線水平距離為20 m，鉆孔間水平距離20 m，最邊緣鉆孔與回采巷道間距為40 m，每個(gè)鉆孔均進(jìn)行4次壓裂，壓裂鉆孔布置如圖5所示。采用手壓泵提供高壓水，最大水壓可達(dá)70 MPa，注水管采用高壓軟管。對(duì)3102工作面頂板進(jìn)行水壓致裂切頂后，定期查看對(duì)應(yīng)中央軌道大巷圍巖破壞情況，巷道表面噴層未發(fā)現(xiàn)明顯的破壞，表面位移量可忽略不計(jì)，能夠滿足其正常使用的要求，應(yīng)用效果良好。

圖5 壓裂孔布置詳情方案

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 3號(hào)煤層一采區(qū)中央軌道大巷掘進(jìn)期間巷道圍巖穩(wěn)定性良好，由于回采工作面超前支承壓力的影響，巷道圍巖變形破壞。

2) 采煤工作面停采位置對(duì)中央軌道大巷圍巖穩(wěn)定性具有顯著的影響，巷道穩(wěn)定性與停采線煤柱寬度呈負(fù)相關(guān)，保護(hù)煤柱寬度為70 m較合理。

3) 切頂后可降低中央軌道大巷圍巖內(nèi)應(yīng)力集中程度，切頂位置距停采線水平距離15～20 m效果較好，應(yīng)用后有效控制了中央軌道大巷的失穩(wěn)破壞。為類似地質(zhì)條件下動(dòng)壓影響巷道圍巖控制提供了參考。