李常浩

(潞安化工集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046103)

煤層內(nèi)開(kāi)掘巷道時(shí),由于煤體自身強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖體且節(jié)理較為發(fā)育,因此開(kāi)掘后原本穩(wěn)定的三向應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變而易于在開(kāi)掘空間周?chē)纬蓱?yīng)力集中,進(jìn)而致使煤巷圍巖裂隙發(fā)育且變形量大[1-2]。眾多專家針對(duì)煤層巷道圍巖控制從錨桿索支護(hù)工藝優(yōu)化、支護(hù)體構(gòu)件改良方面進(jìn)行研究[3-5],也有諸多學(xué)者從卸壓、注漿加固的角度分析,改善煤層巷道圍巖的受力環(huán)境[6-7]。上述研究多側(cè)重于對(duì)某一方面進(jìn)行細(xì)致的分析研究,但井工開(kāi)采期間煤層內(nèi)巷道所處的環(huán)境往往比較復(fù)雜,既受自身開(kāi)掘所形成的應(yīng)力集中影響,還會(huì)受到周?chē)ぷ髅骈_(kāi)采活動(dòng)的疊加干擾影響。

本文以N2105工作面末采階段為工程背景,旨在研究其停采線前方的煤層大巷群圍巖如何有效地控制變形和降低應(yīng)力集中,以期為具有類似復(fù)雜工程條件下的煤層巷道圍巖控制提供指導(dǎo)。

1 N2105工作面工程地質(zhì)概況

余吾煤業(yè)N2105工作面目前處于回采末期,且工作面回采推進(jìn)位置距離停采線已不足100 m.N2105工作面所開(kāi)采的2號(hào)煤層平均厚度約為7.2 m,煤層傾角在3°～11°之間變化,煤層內(nèi)沒(méi)有明顯的斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造,且工作面采用一次性采全高的開(kāi)采工藝,機(jī)械化開(kāi)采程度較高。N2105工作面停采線前方布置有5條主要的煤層大巷,與停采線的距離由近及遠(yuǎn)依次為1號(hào)回風(fēng)大巷、輔助運(yùn)輸大巷、膠帶大巷、進(jìn)風(fēng)大巷和2號(hào)回風(fēng)大巷,煤層大巷之間保護(hù)煤柱體的寬度基本控制在35 m左右。N2105工作面平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 N2105工作面平面位置關(guān)系圖

當(dāng)N2105工作面回采推進(jìn)至末采階段后,由于其與停采線前方的煤層大巷群距離較小,其開(kāi)采所形成的超前支承應(yīng)力以及采空區(qū)上方覆巖運(yùn)移所形成的動(dòng)載擾動(dòng)將會(huì)對(duì)煤層大巷群的圍巖穩(wěn)定性造成一定的影響。首先在煤層大巷群內(nèi)各煤層大巷圍巖破壞較為典型的區(qū)域預(yù)先施打煤層鉆孔,然后用礦用鉆孔窺視儀器對(duì)鉆孔內(nèi)圍巖的破壞情況進(jìn)行觀測(cè),得到的各煤層大巷圍巖內(nèi)深度為1.0 m位置處的煤體破壞情況如圖2所示。

圖2 煤層大巷群圍巖內(nèi)深1.0 m處鉆孔窺視結(jié)果

根據(jù)圖2可知,隨著煤層大巷與停采線距離的增加,其圍巖結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的破壞特征也由嚴(yán)重破碎過(guò)渡至較為完整,這表明與停采線距離更近的煤層大巷圍巖所受到的N2105工作面超前支承應(yīng)力和采空區(qū)上方覆巖運(yùn)移擾動(dòng)疊加影響較大,因而導(dǎo)致其圍巖結(jié)構(gòu)破碎嚴(yán)重;而遠(yuǎn)離停采線的煤層大巷圍巖因受到的N2105工作面超前支承應(yīng)力和采空區(qū)上方覆巖運(yùn)移擾動(dòng)影響較小,因此其圍巖結(jié)構(gòu)完整性較好。但后續(xù)隨著N2105工作面回采推進(jìn),原本遠(yuǎn)離停采線位置處的煤層大巷所受到的N2105工作面超前支承應(yīng)力和采空區(qū)上方覆巖運(yùn)移擾動(dòng)疊加影響也逐步增大,進(jìn)而導(dǎo)致其圍巖將會(huì)由原本完整的結(jié)構(gòu)形態(tài)逐步演變?yōu)閲?yán)重破碎狀態(tài),因此有必要對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)完整的煤層大巷提前采取預(yù)防措施,同時(shí)對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞的煤層大巷采取針對(duì)性的補(bǔ)救措施。

2 頂板定向致裂卸壓技術(shù)分析

針對(duì)遠(yuǎn)離停采線的煤層大巷,可以采取頂板定向致裂的方法來(lái)降低N2105工作面超前支承應(yīng)力對(duì)其圍巖的應(yīng)力疊加影響。關(guān)于頂板定向致裂前后煤層大巷圍巖內(nèi)應(yīng)力變化情況,采用UDEC3D離散元軟件進(jìn)行模擬分析,結(jié)合鉆孔勘測(cè)結(jié)果,首先構(gòu)建了長(zhǎng)×寬×高=300 m×220 m×95 m的三維模型。三維模型中煤層大巷的開(kāi)挖尺寸為寬×高=5.2 m×4.5 m,具體所構(gòu)建的三維模型如圖3所示。

圖3 三維模型

圖3所建立的三維模型中,煤巖層物理力學(xué)參數(shù)賦值情況基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的煤巖樣參數(shù)值確定,具體煤巖層賦值參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)賦值

三維模型中煤巖層內(nèi)的節(jié)理基于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料并采用UDEC3D離散元軟件內(nèi)嵌的節(jié)理本構(gòu)模型進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),煤巖層采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。三維模型中2號(hào)煤層距離模型頂面高度為58 m,同時(shí)結(jié)合煤層平均埋深為420 m可知,三維模型上表面距離地表的等效深度約為360 m,在此假設(shè)覆巖的平均容重為25 kN/m3.通過(guò)計(jì)算可以確定,在三維模型上表面施加的等效均布載荷值為9.0 MPa.三維模型的四周邊界采用水平位移約束,底部邊界采用固定位移約束,模型中以1號(hào)回風(fēng)大巷和輔助運(yùn)輸大巷之間覆巖中厚度為22.5 m的細(xì)砂巖層為定向致裂的目標(biāo)巖層。數(shù)值模擬運(yùn)算最終得到的頂板定向致裂前后煤體內(nèi)垂直應(yīng)力變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 頂板定向致裂前后煤體內(nèi)垂直應(yīng)力變化曲線

由圖4可知,當(dāng)對(duì)1號(hào)回風(fēng)大巷和輔助運(yùn)輸大巷之間覆巖中厚度為22.5 m的細(xì)砂巖層未采取定向致裂前,兩條煤層大巷之間寬為35 m的煤柱體內(nèi)所承載的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出“雙峰值”分布狀態(tài),且靠近1號(hào)回風(fēng)大巷側(cè)的峰值應(yīng)力值(19.4 MPa)要高于靠近輔助運(yùn)輸大巷側(cè)的峰值應(yīng)力值(18.1 MPa);當(dāng)對(duì)1號(hào)回風(fēng)大巷和輔助運(yùn)輸大巷之間覆巖中厚度為22.5 m的細(xì)砂巖層采取定向致裂后,兩條煤層大巷之間寬為35 m的煤柱體內(nèi)所承載的垂直應(yīng)力同樣呈現(xiàn)出“雙峰值”分布狀態(tài),且在定向致裂范圍由20 m增加至35 m的過(guò)程中,垂直應(yīng)力“雙峰值”分布曲線上的峰值應(yīng)力值趨于相等。在頂板定向致裂范圍為20 m時(shí),靠近1號(hào)回風(fēng)大巷側(cè)和輔助運(yùn)輸大巷側(cè)的峰值應(yīng)力值分別為18.1 MPa和17.1 MPa.在頂板定向致裂范圍為35 m時(shí),靠近1號(hào)回風(fēng)大巷側(cè)和輔助運(yùn)輸大巷側(cè)的峰值應(yīng)力值分別為15.3 MPa和15.2 MPa.

綜上分析可知,當(dāng)對(duì)頂板內(nèi)厚硬關(guān)鍵層定向致裂范圍為20 m時(shí),卸壓程度相對(duì)較小,煤柱體內(nèi)所承載的垂直應(yīng)力在“雙峰值”位置處的降幅分別為6.7%和5.5%;當(dāng)對(duì)頂板內(nèi)厚硬關(guān)鍵層定向致裂范圍為35 m時(shí),卸壓程度相對(duì)較大,煤柱體內(nèi)所承載的垂直應(yīng)力在“雙峰值”位置處的降幅分別為21.1%和16.0%.可見(jiàn)當(dāng)對(duì)頂板內(nèi)厚硬關(guān)鍵層進(jìn)行充分致裂后,能夠有效降低兩條煤層大巷之間寬為35 m的煤柱體內(nèi)所承載的垂直應(yīng)力值,從而控制煤柱體內(nèi)塑性區(qū)的擴(kuò)展范圍,并在一定程度上改善煤層大巷圍巖的應(yīng)力環(huán)境。

3 煤層大巷圍巖注漿加固技術(shù)分析

當(dāng)在煤層內(nèi)開(kāi)挖巷道后,會(huì)改變結(jié)構(gòu)原本完整的煤體的受力環(huán)境,在采動(dòng)支承應(yīng)力疊加作用下圍巖較為破碎,因此有必要對(duì)煤層大巷的圍巖進(jìn)行注漿加固,使受采動(dòng)支承應(yīng)力疊加作用而較為破碎的圍巖結(jié)構(gòu)能夠膠結(jié)成連續(xù)性較好的整體結(jié)構(gòu),進(jìn)而有效地提升煤層大巷圍巖的主動(dòng)承載性能,同時(shí)有利于錨桿索等支護(hù)體與圍巖充分協(xié)同作用,更好地發(fā)揮支護(hù)體結(jié)構(gòu)的被動(dòng)承載能力。注漿加固煤層大巷圍巖同樣能夠起到對(duì)N2105采空區(qū)上方覆巖運(yùn)移所形成的動(dòng)載擾動(dòng)的進(jìn)一步抵抗能力,抵抗動(dòng)載擾動(dòng)的作用機(jī)理如圖5所示[8]。

圖5 注漿加固后的煤層大巷抵抗動(dòng)載擾動(dòng)作用機(jī)理

針對(duì)某一具體煤層大巷圍巖注漿參數(shù)的確定,以1號(hào)回風(fēng)大巷為例,首先通過(guò)鉆孔窺視的方法確定其圍巖不同深度處裂隙張口尺寸的大小,其變化規(guī)律滿足圖6所示的擬合曲線。

圖6 1號(hào)回風(fēng)大巷圍巖不同深度裂隙張口尺寸變化曲線

根據(jù)圖6可知,其在煤層大巷圍巖淺部區(qū)域裂隙張口尺寸最大,約為1.5 mm,而隨著徑向方向向圍巖深部區(qū)域延伸,其裂隙張口尺寸呈指數(shù)規(guī)律減小,基本控制在0.1～0.2 mm之間?；诿簩哟笙飮鷰r內(nèi)裂隙的變化規(guī)律,采用COMSOL Multiphysics數(shù)值仿真軟件對(duì)注漿加固參數(shù)進(jìn)行了模擬分析,得到了幾種典型水灰質(zhì)量比條件下漿液在圍巖內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律,如圖7所示。

圖7 不同水灰比時(shí)漿液在圍巖內(nèi)擴(kuò)散規(guī)律

由圖7可知,隨著水灰質(zhì)量比由0.5∶1增大至1.5∶1,漿液在圍巖內(nèi)的擴(kuò)散范圍呈增大趨勢(shì);而在水灰質(zhì)量比由1.5∶1進(jìn)一步增大至2∶1的過(guò)程中,漿液在圍巖內(nèi)的擴(kuò)散范圍不增反降,因此確定適合1號(hào)回風(fēng)大巷圍巖最佳的水灰質(zhì)量比為1.5∶1.

在水灰質(zhì)量比為1.5∶1的基礎(chǔ)上,得到了幾種典型的注漿壓力條件下漿液在圍巖內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律,如圖8所示。

圖8 不同注漿壓力時(shí)漿液在圍巖內(nèi)擴(kuò)散規(guī)律

由圖8可知,在注漿壓力由1.0 MPa增大至5.0 MPa的過(guò)程中,漿液在圍巖內(nèi)的擴(kuò)散范圍基本保持不變,因此確定適合1號(hào)回風(fēng)大巷圍巖最佳的注漿壓力為1.0 MPa.

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性應(yīng)用

當(dāng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)1號(hào)回風(fēng)大巷采取頂板定向致裂和圍巖注漿加固措施后,隨著N2105工作面的進(jìn)一步回采推進(jìn),可在1號(hào)回風(fēng)大巷圍巖表面布置3組十字測(cè)站對(duì)其圍巖變形規(guī)律進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平均值如圖9所示。

由圖9可知,后續(xù)N2105工作面回采推進(jìn)60 d后,1號(hào)回風(fēng)大巷圍巖頂?shù)装逡平科骄禐?48 mm,兩幫移近量平均值為72 mm,相較于巷道原有斷面尺寸收斂率分別為3.3%和1.4%.可見(jiàn)當(dāng)對(duì)煤層大巷采取頂板定向致裂和圍巖注漿加固措施后,其抵抗N2105工作面回采擾動(dòng)影響能力的大幅度增加,且圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境良好,因此能夠在工作面末采階段依舊安全、高效地服務(wù)于礦井生產(chǎn)作業(yè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 工作面末采階段所形成的超前支承應(yīng)力和采空區(qū)上方覆巖運(yùn)移所形成的動(dòng)載擾動(dòng)疊加作用將會(huì)造成停采線前方的煤層大巷群圍巖發(fā)生破壞,且破壞影響程度會(huì)隨著煤層大巷遠(yuǎn)離停采線而減小。

2) UDEC3D離散元軟件模擬結(jié)果表明,對(duì)1號(hào)回風(fēng)大巷和輔助運(yùn)輸大巷之間覆巖中厚度為22.5 m的細(xì)砂巖層采取定向致裂后,能夠有效降低兩條煤層大巷之間寬為35 m的煤柱體內(nèi)所承載的垂直應(yīng)力值,從而控制煤柱體內(nèi)塑性區(qū)的擴(kuò)展范圍。

3) 注漿加固煤層大巷圍巖能夠提高其抗載擾動(dòng)能力,同時(shí)采用數(shù)值仿真的方法確定了1號(hào)回風(fēng)大巷圍巖的最佳水灰質(zhì)量比為1.5∶1,最佳注漿壓力為1.0 MPa.

4) 后續(xù)N2105工作面回采推進(jìn)60 d后,1號(hào)回風(fēng)大巷圍巖頂?shù)装搴蛢蓭褪諗柯史謩e為3.3%和1.4%,表明采取頂板定向致裂和圍巖注漿加固措施能夠保障1號(hào)回風(fēng)大巷安全、高效地服務(wù)于礦井生產(chǎn)作業(yè)。