任耀鋒

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團 毛則渠煤炭有限公司,山西 臨汾 042100)

區(qū)段煤柱的設(shè)計及穩(wěn)定性控制是影響回采巷道礦壓特征的重要技術(shù)體系[1-2]。隨著我國煤炭資源開采技術(shù)的發(fā)展及時間的積累,可規(guī)則布置區(qū)域的煤體資源開采殆盡,復(fù)雜地質(zhì)條件下煤炭資源的開采日益成為常態(tài),剩余可采資源斷層等構(gòu)造較為發(fā)育,回采工作面布置的不規(guī)則特征更為突出,形成了較多的斷層區(qū)段異形煤柱工作面布置形式,該種條件下巷道應(yīng)力環(huán)境及圍巖條件更為復(fù)雜,引發(fā)圍巖穩(wěn)定性難控制的問題。以毛則渠礦209與211工作面巷間異形煤柱留設(shè)為工程背景,進行異形煤柱護巷條件下鄰近工作面采動影響巷道卸壓及支護技術(shù)研究,研究結(jié)果可為類似地質(zhì)條件下動壓巷道的支護提供參考。

1 工程概況

毛則渠煤炭目前主采2號煤,209綜放工作面位于井田中部,以東為軌道下山保安煤柱,以西為211綜放工作面(未采動)為實體煤,以北為回風(fēng)大巷。地面標(biāo)高820～950 m,工作面標(biāo)高729～772 m.工作面上方為湛泉村、柴嶺村、鐵尖村(已搬遷)。地表主要為新生界第四系黃土層覆蓋,厚度一般為60～200 m.209綜放工作面南北走向長度1 450 m,可采長度1 280 m,傾角2°～4°.煤層屬2號強粘性瘦煤,平均可采厚度為5.1 m.209綜放工作面為二疊系山西組下部2號煤層,巷道設(shè)計沿煤層頂板掘進,該煤層賦存穩(wěn)定,屬近水平煤層,厚度4.85～6.79 m,北部較厚,南部較薄。該煤層一般含1～2層夾石,夾石一般厚0.2 m,斷層不發(fā)育。工作面頂板為泥巖、砂巖,上距K8砂巖18.3～33.8 m,整體比較穩(wěn)定,下至3號煤層0.55～3.3 m,對209綜放工作面回采無影響。211工作面為209工作面的接續(xù)工作面,兩個工作面間存在1條落差22 m的正斷層,結(jié)合斷層發(fā)育情況,兩個工作面間留設(shè)40～12 m的區(qū)段煤柱,屬于典型的斷層區(qū)段異形煤柱,工作面位置詳情如圖1所示。

圖1 209運輸巷賦存條件示意

2 211回風(fēng)巷支護及圍巖變形特征

211回風(fēng)巷采用矩形斷面,凈寬4.3 m、凈高4. 2 m,掘巷期間支護詳情:頂錨桿及幫錨桿均選用D18 mm×2 200 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。頂部及幫部鋼筋梯子梁規(guī)格均由直徑8 mm的圓鋼焊制,錨桿托盤采用鋼號不小于Q345的錳板,形狀為拱形,托板尺寸150 mm×150 mm×12 mm,配用調(diào)心球墊,規(guī)格為D68 mm×23 mm,錨固劑為D25 mm×500 mm規(guī)格的MSK2550性樹脂藥卷兩支,頂網(wǎng)及幫網(wǎng)均采用由8號冷拉鐵絲制成的菱形金屬網(wǎng),頂板錨桿間排距0.8 m×0.9 m,兩幫0.9 m×0.9 m.

209綜放工作面投入生產(chǎn)后,隨著工作面的推進,在211回風(fēng)巷內(nèi)圍巖出現(xiàn)了明顯的表面變形破壞特征,如煤柱寬度為39 m的附件,超前鄰近209工作面65 m范圍內(nèi),煤柱幫出現(xiàn)多處較大的鼓包,肩角下沉明顯,底板同樣出現(xiàn)較明顯的底鼓變形,錨桿構(gòu)建工作狀態(tài)惡化,巷道表面變形較為劇烈,預(yù)計將無法滿足工作面回采接續(xù)的要求。為掌握圍巖內(nèi)裂隙發(fā)育情況,在煤柱寬度為35 m處對應(yīng)的209運輸巷、211回風(fēng)巷內(nèi)超前工作面25 m處分別進行鉆孔窺視,典型觀測結(jié)果如圖2所示,209運輸巷頂板出現(xiàn)較大的裂縫,211回風(fēng)巷頂板同樣出現(xiàn)輕微的裂縫和破碎現(xiàn)象,而煤柱內(nèi)煤體破碎嚴(yán)重,完整性很低,由此說明,211回風(fēng)巷原有支護條件下,對于頂板的支護效果一般,鄰近工作面動壓影響明顯,煤柱破壞嚴(yán)重,承載能夠力差,應(yīng)在此基礎(chǔ)上采取合理的減弱鄰近工作面采動影響及補強加固措施。

圖2 圍巖內(nèi)裂隙發(fā)育特征

3 密集鉆孔切頂卸壓技術(shù)

依照211回風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定性受到鄰近工作面采動影響明顯的特點,參照相似地質(zhì)條件下相關(guān)研究成果,可通過人造非連續(xù)弱面的辦法進行卸壓護巷,通過合理的密集鉆孔切頂,可優(yōu)化煤柱巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境,減弱鄰近工作面采動對于煤柱及巷道圍巖的擾動破壞,由此提出在毛則渠礦209運輸巷應(yīng)用該技術(shù)。為考察該技術(shù)的可行性及有效性,采用以連續(xù)介質(zhì)有限元數(shù)值模擬軟件FLAC3D進行計算分析,211回風(fēng)巷巷道斷面寬×高=4.3 m×4.2 m.采用摩爾-庫倫模型,考慮巷道開挖的影響范圍通常為斷面等效半徑的3～5倍,設(shè)計模型邊界尺寸為175 m×75 m×50 m.煤巖層均采用粘彈性本構(gòu)模型,錨桿、錨索支護材料采用線彈性材料,模型初始地應(yīng)力為17.5 MPa,切頂鉆孔布置在209運輸巷頂板,與垂直方向夾角15°,深度15 m,布置間距0.3 m,數(shù)值模型剖面圖如圖3(a)所示。分別在切頂前后開始209綜放工作面的挖掘,由此得到煤柱寬度25 m、15 m條件下巷道內(nèi)垂直應(yīng)力變化規(guī)律,如圖3(b)、(c)所示。

圖3 不同斷面煤柱寬度條件下切頂前后應(yīng)力分布特征

由圖3可以看出,巷道實體煤側(cè)內(nèi)應(yīng)力由遠至近呈現(xiàn)先緩慢增大而后迅速減小的趨勢,煤柱內(nèi)應(yīng)力隨著與巷道表面距離的增大同樣呈現(xiàn)迅速增大而后快速減小的趨勢,切頂前后巷道兩側(cè)煤體內(nèi)垂直應(yīng)力峰值存在明顯差異。在25 m煤柱條件下,切頂前實體煤側(cè)應(yīng)力峰值為41.9 MPa,煤柱側(cè)應(yīng)力峰值為62.2 MPa.切頂后實體煤側(cè)應(yīng)力峰值為21.7 MPa,較切頂前減小48.2%,煤柱側(cè)應(yīng)力峰值為30.8 MPa,較切頂前減小50.5%;在15 m煤柱條件下,切頂前實體煤側(cè)應(yīng)力峰值為44.8 MPa,煤柱側(cè)應(yīng)力峰值為51.6 MPa,切頂后實體煤側(cè)應(yīng)力峰值為20.6 MPa,較切頂前減小54.0%,煤柱側(cè)應(yīng)力峰值為31.2 MPa,較切頂前減小39.5%.綜上可知,切頂后鄰近巷道兩側(cè)煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中程度明顯降低,可有效減弱覆巖運動及斷層對鄰近巷道圍巖穩(wěn)定的影響,該技術(shù)具有可行性。

4 異形煤柱動壓巷道治理方案

鄰近工作面采動影響下切頂卸壓護巷技術(shù)在我國得到廣泛應(yīng)用并取得了較好的治理效果。通過查閱相關(guān)研究成果[3-4],設(shè)計在毛則渠煤礦209運輸巷采取切頂卸壓護巷措施,為保障采空區(qū)上覆厚硬巖層順利垮落,選定切頂高度15 m,鉆孔向209工作面偏斜15°布置,布置間距0.3 m,密集鉆孔孔徑為75 mm,頂板施工位置距煤柱幫700 mm,于煤柱寬度約為35 m處開始施工,鉆孔布置剖面圖及現(xiàn)場施工實況如圖4所示。

圖4 209運輸巷切頂鉆孔布置示意

為有效抑制211回風(fēng)巷道表面變形,設(shè)計巷道錨索補強支護方案。頂板及煤柱幫均采用規(guī)格D21.6 mm×5 000 mm的1×19股高強錨索,配備兩支K2880型樹脂藥卷,頂板每排5根,間距0.8 m,采用長4.0 m的W型鋼帶聯(lián)結(jié),均沿豎直方向布置,與原有錨桿支護間隔兩排布置,幫部錨索布置間距1.35 m,每排3根,采用長度3.9 m的W型鋼帶連接,頂板及幫部錨索安裝時張拉應(yīng)力均不小于200 kN,錨索布置詳情如圖5所示。

圖5 211運輸巷補強支護圖(單位:mm)

5 應(yīng)用效果分析

為綜合評估異形煤柱巷道在采取切頂卸壓和補強支護措施后圍巖的穩(wěn)定性,在211回風(fēng)巷內(nèi)每監(jiān)測100 m布置1個礦壓監(jiān)測站,以煤柱寬度為25 m處為例,整理得到巷道表面變形量隨著與鄰近209工作面距離的變化曲線,如圖6所示?？梢钥闯?在與鄰近209回采面距離小于60 m以后,巷道表面變形量開始出現(xiàn)增大趨勢,滯后鄰近回采面之后,巷道表面變形量逐漸趨于穩(wěn)定,滯后60 m時,煤柱側(cè)頂?shù)装逡平繛?84 mm,實體煤側(cè)頂?shù)装逡平繛?04 mm,煤柱幫內(nèi)移量為102.6 mm,實體煤壁幫內(nèi)移量為68.4 mm,兩幫總的相對移近量為171 mm,巷道表面變形量總體維持在較低水平,斷面收斂量相對于切頂前減小60%以上,鄰近巷道圍巖破壞程度得到有效控制。

圖6 礦壓監(jiān)測結(jié)果及現(xiàn)場實況

6 結(jié) 語

通過對毛則渠煤礦211回風(fēng)巷在鄰近工作面采動影響下礦壓調(diào)研及鉆孔窺視發(fā)現(xiàn),斷層異形煤柱內(nèi)裂隙發(fā)育,現(xiàn)有支護無法有效控制圍巖失穩(wěn),據(jù)此提出采用密集鉆孔卸壓技術(shù)來改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)。數(shù)值模擬研究表明,切頂后,鄰近巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力峰值較切頂前顯著減小,方案具有可行性。結(jié)合211回風(fēng)巷原有支護設(shè)計補強支護方案,工程實踐階段進行礦壓監(jiān)測,巷道表面變形量較切頂前減小60%以上,圍巖變形總體在合理可控范圍內(nèi),滿足礦井安全生產(chǎn)需求,切頂卸壓及錨索補強措施對于鄰近巷道變形破壞程度的控制效果顯著。