賈俊峰，段振雄

(華陽新材料科技集團(tuán)有限公司 一礦，山西 陽泉 045000)

1 工程概況

華陽一礦十三采區(qū)地面相對位置位于碾子咀以東，白龍廟以南，磨石巖以西，營房溝以北。地面有白龍廟溝河，狼窩溝河，皇墓溝河穿過。地表有3條電力線穿過工作面，分別為220海盂線、35二回北紅線、民用村莊電力線，地面無建筑物。蓋山厚度569～580 m，平均575 m.十三采區(qū)軌道大巷位于十三采區(qū)邊界線以北，81302工作面(已采)以南，巷道北側(cè)81306工作面已掘，巷道位置詳情如圖1所示。十三采區(qū)設(shè)計開采煤層為太原組15號煤層，根據(jù)本采區(qū)周邊相鄰B3904、B3905、B4003及6620號鉆孔實(shí)際探測資料及已回采的81302工作面實(shí)際揭露煤層厚度及產(chǎn)狀統(tǒng)計分析：煤層厚度介于7.27～6.33 m，平均6.96 m.

圖1 十三采區(qū)軌道大巷平面布置

2 十三采區(qū)軌道大巷破壞現(xiàn)狀

華陽一礦太原組15號煤層十三采區(qū)目前已經(jīng)開采了81302工作面，十三采區(qū)三條大巷均布置在采區(qū)南側(cè)，膠帶大巷、回風(fēng)大巷沿15號煤層底板施工，十三采區(qū)軌道大巷布置在15號煤層底板泥巖中，距15號煤層底部3.5～5.2 m，采用直墻半圓拱形斷面，掘巷凈寬為4.8 m、凈高為3.8 m，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，支護(hù)要求：頂、幫錨桿統(tǒng)一使用150 mm×150 mm×10 mm高強(qiáng)度拱形托盤，錨桿使用2支樹脂藥卷，1支CK2335，1支K2360,D22-2 400 mm錨桿預(yù)緊扭矩不低于400 N·m，預(yù)緊力不低于95 kN，間排距1.0 m×1.1 m.頂板長錨索規(guī)格D21.8-8 300 mm，幫錨索規(guī)格D21.8-6 300 mm，錨索使用3支樹脂藥卷,1支CK2335，2支K2360，錨索要求預(yù)應(yīng)力不低于350 kN，錨固力不低于520 kN，間排距2.0 m×4.5 m.金屬網(wǎng)支護(hù)要求：采用網(wǎng)格100 mm×100 mmD6鋼筋網(wǎng)+雙層網(wǎng)格50 mm×50 mm8號金屬菱形網(wǎng)，金屬菱形網(wǎng)沿巷道方向平行鋪網(wǎng)方式，橫向搭接長度不小于200 mm，縱向采用鉛絲網(wǎng)拆除的鉛絲穿網(wǎng)。巷道頂板及兩幫噴混凝土厚度100 mm，強(qiáng)度C30.

十三采區(qū)軌道大巷于2021年投入使用，在經(jīng)受81302綜采工作面采動影響后，巷道圍巖穩(wěn)定性遭到破壞，巷道圍巖變形存在以下特征：①巷道斷面收縮嚴(yán)重，巷道頂板及兩幫表面開裂嚴(yán)重，兩幫移近量最大達(dá)到600～800 mm，底板底鼓變形嚴(yán)重，局部底鼓達(dá)到1 300 mm，歷經(jīng)多次變形、整修的過程；②巷道破壞形式多種多樣，錨桿、錨索失效較多，圍巖應(yīng)力條件復(fù)雜；③巷道變形受工作面采動影響明顯，變形速度快、持續(xù)時間長，隨著工作面回采的進(jìn)行，巷道表面變形速度快速增大，見圖2.十三采區(qū)軌道大巷的變形破壞已嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)。

圖2 十三采區(qū)軌道大巷支護(hù)及變形現(xiàn)狀(mm)

3 十三采區(qū)軌道大巷返修方案設(shè)計

根據(jù)華陽一礦十三采區(qū)軌道大巷現(xiàn)場調(diào)研情況，現(xiàn)有支護(hù)無法有效控制其圍巖失穩(wěn)破壞，需要更為合理有效的返修加固方案，在十三采區(qū)軌道大巷原有支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)其圍巖變形特征及原有支護(hù)缺陷提出優(yōu)化支護(hù)方案，各支護(hù)方案的具體參數(shù)見表1.

表1 優(yōu)化支護(hù)方案參數(shù)

為確定最為合理的返修加固方案，結(jié)合華陽一礦81306工作面開采的實(shí)際情形，采用FLAC3D軟件進(jìn)行建模分析[1-2]，為方便建模及計算，將煤層簡化為水平分布，根據(jù)實(shí)驗室強(qiáng)度測試結(jié)果對各煤巖層進(jìn)行賦值，模型共由13層煤巖體組成，總高度為145 m，模型沿工作面推進(jìn)方向尺寸為500 m，三維數(shù)值模型如圖3(a)所示，模型頂面施加載荷15 MPa.81306工作面布置在模型右側(cè)，從右向左推進(jìn)，十三采區(qū)三條大巷布置在模型左側(cè)，護(hù)巷煤柱寬度25 m，十三采區(qū)軌道大巷布置在煤層下方泥巖巖層中，距模型左側(cè)邊界70 m.

圖3 數(shù)值模型及模擬分析結(jié)果

模擬計算時，首先進(jìn)行十三采區(qū)三條大巷的開挖及支護(hù)，十三采區(qū)回風(fēng)大巷和運(yùn)輸大巷采用掘巷期間原支護(hù)方案，之后進(jìn)行81306工作面的開挖，每次開挖進(jìn)尺為5 m，停采位置與十三采區(qū)軌道大巷水平距離為60 m，在工作面回采完成后，觀測十三采區(qū)軌道大巷表面的變形量，整理得到不同支護(hù)方案條件下，數(shù)值模擬結(jié)果如圖3(b)所示。由圖3(b)可得，隨著支護(hù)方案由方案1至方案4，巷道表面支護(hù)密度逐漸增大，支護(hù)強(qiáng)度逐漸提高，在采動影響后，巷道表面變形量呈逐漸減小趨勢，其中，方案1至方案3，巷道表面最大變形量減小幅度較大，而方案4與方案3相比，巷道表面最大變形量相差很小，表明支護(hù)方案4對于圍巖穩(wěn)定性的提升很小，綜合考慮圍巖支護(hù)效果及經(jīng)濟(jì)成本，確定十三采區(qū)軌道大巷采用方案3的相關(guān)支護(hù)參數(shù)。

以華陽一礦十三采區(qū)軌道大巷原有支護(hù)方案為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值模擬研究結(jié)果，設(shè)計十三采區(qū)軌道大巷返修加固方案如圖4所示，頂板錨索規(guī)格D21.8-8 300 mm，間排距1.0 m×1.6 m，錨桿規(guī)格D22-2 400 mm，間排距0.8 m×1.6 m，幫錨索規(guī)格D21.8-6 300 mm，間排距同頂板錨索，底板施工反底拱，半徑3.7 m，中部最大開挖深度0.8 m，每排施工3根長錨索，錨索規(guī)格D21.8-6 300 mm，間排距1.2 m×1.6 m，反底拱內(nèi)采用廢渣充填壓實(shí)。

圖4 十三采區(qū)軌道大巷返修加固方案(mm)

4 81306工作面水力壓裂切頂卸壓方案設(shè)計

根據(jù)華陽一礦十三采區(qū)軌道大巷變形特征，在81302工作面回采結(jié)束后，巷道表面變形量迅速增大，分析可知，工作面回采后上方存在未垮落完全的堅硬巖層，形成懸臂結(jié)構(gòu)導(dǎo)致十三采區(qū)軌道大巷圍巖處于高應(yīng)力環(huán)境中，導(dǎo)致其圍巖持續(xù)塑性破壞，最終出現(xiàn)嚴(yán)重的變形破壞。參照國內(nèi)類似地質(zhì)條件下相關(guān)研究成果[3-4]，應(yīng)使用切頂技術(shù)切斷采空區(qū)上方的懸臂結(jié)構(gòu)，優(yōu)化十三采區(qū)軌道大巷應(yīng)力分布。

本次切頂設(shè)計采用水力壓裂技術(shù)，鉆孔采用直徑56 mm的鉆頭，配套使用直徑44 mm鉆桿，共設(shè)計兩種類型的壓裂鉆孔，施工位置為81306工作面回采至停采線，A類鉆孔長度29.6 m，垂直高度25.5 m，仰角51°，B類鉆孔長度28.8 m，垂直高度21.5 m，仰角45°，每個鉆孔均分布進(jìn)行4次壓裂，共布置8個壓裂鉆孔，每4個分為一組，壓裂時最大注水壓力70 MPa，壓裂鉆孔布置詳情如圖5所示。

圖5 81306工作面頂板壓裂方案示意(m)

5 圍巖控制效果考察

為了定量分析采取水力壓裂切頂工藝后對于十三采區(qū)軌道大巷表面變形量的影響，并考察返修支護(hù)方案的合理性，在81306工作面末采期間及停采后，在對應(yīng)的十三采區(qū)軌道大巷內(nèi)，每間隔100 m布置一個礦壓監(jiān)測點(diǎn)，采用激光傳感器定期記錄巷道圍巖變形情況，由監(jiān)測結(jié)果可知，在工作面采動影響下，巷道圍巖變形量隨著時間的推移不斷的累積，經(jīng)過一段時間的持續(xù)變形后圍巖趨于穩(wěn)定，巷道兩幫累積移近量最大為115～125 mm，頂?shù)装謇鄯e移近量最大為90～110 mm，巷道變形量相對于原有支護(hù)條件下顯著減小，整體變形量得到有效控制，通過對十三采區(qū)軌道大巷返修補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)并在工作面采取水力壓裂切頂措施后，巷道圍巖自身承載能力顯著提升，圍巖控制效果良好。

6 結(jié) 語

華陽一礦十三采區(qū)軌道大巷投入使用后，在側(cè)翼綜采工作面采動影響下，巷道多處出現(xiàn)嚴(yán)重的變形破壞現(xiàn)象，影響礦井的正常生產(chǎn)，結(jié)合巷道原有支護(hù)方案設(shè)計其返修加固方案，通過數(shù)值模擬優(yōu)選最佳方案，設(shè)計水力壓裂切頂卸壓方案，81306工作面回采完成后進(jìn)行切頂方案的應(yīng)用，在對應(yīng)巷段設(shè)置礦壓監(jiān)測站，巷道兩幫累積移近量最大為115～125 mm，頂?shù)装謇鄯e移近量最大為90～110 mm，整體變形量得到有效控制，所設(shè)計的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及切頂卸壓方案合理有效，保障了礦井的安全高效生產(chǎn)。