馬脊梁礦綜放工作面臨空巷道圍巖變形特征及控制

鮑永生

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司 馬脊梁煤礦，山西 大同 037000)

綜放開采具有巷道掘進(jìn)率低、功效高、大功率采運(yùn)設(shè)備易于高效運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)勢(shì)，能夠最大限度地實(shí)現(xiàn)工作面的高產(chǎn)高效[1-3]。然而，綜放高強(qiáng)度回采勢(shì)必引起巷道圍巖的不穩(wěn)定、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈等問(wèn)題。特別是毗鄰采空區(qū)的回采巷道超前范圍內(nèi)來(lái)壓特別強(qiáng)烈，嚴(yán)重制約了綜放工作面的高產(chǎn)高效[4-5]。

對(duì)于控制巷道的圍巖變形，專家學(xué)者進(jìn)行了諸多的探索與實(shí)踐?？导t普等[6-7]提出采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿與錨索支護(hù)技術(shù)控制巷道強(qiáng)烈變形；柏建彪、何富連等[8-9]通過(guò)構(gòu)建力學(xué)模型、FLAC數(shù)值模擬，提出采用加強(qiáng)巷道頂板支護(hù)將巷道頂板巖層壓力轉(zhuǎn)移至巷道圍巖深處；還有一些學(xué)者[10-12]致力于通過(guò)主動(dòng)卸壓控制巷道圍巖變形。然而由于巷道圍巖性質(zhì)、地質(zhì)與開采條件的差異性，各種圍巖控制方案均存在局限性，對(duì)于特定條件下的巷道圍巖賦存特點(diǎn)及圍巖變形特征，需采取針對(duì)性的巷道圍巖控制方案。

本文以馬脊梁礦8103工作面為工程背景，針對(duì)5103臨空巷道在回采過(guò)程中出現(xiàn)單體支柱折損、鋼帶變形斷裂、巷道變形嚴(yán)重等現(xiàn)象，采用FLAC數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析5103巷道圍巖變形的特征，提出“APR+PRS”的臨空巷道圍巖控制方案，即主動(dòng)卸壓(Active Pressure Relief)+被動(dòng)加強(qiáng)支護(hù)(Passivity Reinforce Support)。主動(dòng)卸壓包括：頂板水壓致裂、煤體大直徑卸壓鉆孔、CO2底板致裂；被動(dòng)加強(qiáng)支護(hù)包括：增加單體支設(shè)密度、巷道內(nèi)加支木垛。最后通過(guò)來(lái)壓步距、支架工作阻力、巷道表面位移驗(yàn)證“APR+PRS”臨空巷道圍巖控制方案的有效性。

1 工作面概況

馬脊梁礦8103工作面埋深409～490m，煤層厚度5.1～7.8m，平均7.01m。煤層傾角2～5°，平均2.5°。工作面走向長(zhǎng)度2010.5m，傾斜長(zhǎng)度239.4m；5103巷道規(guī)格為：寬5.1m×高3.5m。該工作面南西方向?yàn)橐鸦夭傻?101工作面采空區(qū)，8103與8101工作面煤柱寬度為30m。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示，8103工作面示意如圖1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

圖1 8103工作面示意

5103巷與8101工作面采空區(qū)相鄰，回采推進(jìn)過(guò)程中巷道頂板下沉、底板鼓起、支護(hù)破壞，給回采、通風(fēng)帶來(lái)了困難，極大地限制了工作面的高產(chǎn)高效。

2 臨空巷道圍巖變形特征

2.1 FLAC2D數(shù)值模擬

參照馬脊梁礦8103工作面地質(zhì)條件，建立FLAC2D數(shù)值模擬，煤層及頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)如表2所示。分別在5103巷道頂?shù)装?、兩幫設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)巷道在掘進(jìn)、回采過(guò)程中變形量。運(yùn)算至平衡狀態(tài)后，應(yīng)力云圖如圖2所示。掘進(jìn)過(guò)程中，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔畲笾捣謩e為：170，70mm；回采過(guò)程中，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔畲笾捣謩e為：2000，800mm。與掘進(jìn)過(guò)程中相比，在回采過(guò)程中，5103臨空巷道圍巖變形顯著。

表2 煤層及頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)

圖2 垂直應(yīng)力分布

2.2 5103臨空巷道圍巖變形實(shí)測(cè)

采用“十字監(jiān)測(cè)法”監(jiān)測(cè)巷道斷面位移。在5103巷道超前50m范圍內(nèi)設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平?。?dāng)8103工作面回采至100，150，200，250m時(shí)，5103巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示。

圖3 5103巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

當(dāng)回采至100m時(shí)，5013巷道超前25m范圍圍巖發(fā)生變形，頂?shù)装逡平孔畲鬄?10mm，兩幫最大變形位移為450mm，如圖3(a)。當(dāng)回采至距切眼250m時(shí)，即工作面的“見方”位置，5103巷超前50m范圍圍巖發(fā)生變形，頂?shù)装逡平孔畲鬄?500mm，兩幫最大變形位移為800mm。如圖3(d)所示。

通過(guò)FLAC數(shù)值模擬、巷道表面位移實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：8103工作面回采過(guò)程中，5103巷道圍巖變形嚴(yán)重，頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)到1500mm，兩幫移近量最大800mm，影響范圍為超前50m，嚴(yán)重區(qū)域?yàn)槌?0m范圍。

2.3 5103臨空巷道圍巖變形主要原因分析

(1)8103工作面回采后垮落步距大，回采超前支承壓力及采動(dòng)動(dòng)壓對(duì)超前支護(hù)段影響強(qiáng)烈。

(2)8103工作面后部采空區(qū)基本頂懸頂產(chǎn)生的超前支承壓力影響。

(3)8101工作面采空區(qū)懸頂因8103工作面采動(dòng)影響失穩(wěn)斷裂而產(chǎn)生迭加動(dòng)壓影響。

3 臨空巷道圍巖變形控制

3.1 頂板水力致裂

根據(jù)8103工作面煤層及頂板巖層的分布及5103巷道周圍煤層的開采情況，確定水力致裂鉆孔布置方案，如圖4所示。

圖4 5103巷道頂板水力致裂示意

在8103工作面5103巷超前工作面180m，垂直于煤柱側(cè)巷幫，距底板2.5m處以仰角23°斜向8101采空區(qū)方向施工一排水力致裂鉆孔，鉆孔深度26.6m，鉆孔間距14m，用以控制側(cè)向支承壓力的影響。同時(shí)，在靠近煤壁側(cè)巷幫，距底板2.5m處以仰角45°(沿工作面方向)偏角34°(偏向8103工作面)施工鉆孔，鉆孔深度23.5m，鉆孔間距14m，控制本工作面超前支承壓力的影響。

水力致裂過(guò)程中，監(jiān)測(cè)臨近致裂孔出水情況，由此判斷鉆孔間距的合理性。致裂過(guò)程中，均能從鄰近鉆孔看到有水流出，水力裂縫可以擴(kuò)展至鄰近鉆孔，說(shuō)明鉆孔間距的合理性。致裂過(guò)程中監(jiān)測(cè)水壓變化情況，如圖5所示。致裂壓力最大為37.5MPa，裂縫擴(kuò)展壓力為27.5～35MPa。致裂過(guò)程中，壓力變化較為平穩(wěn)，表明頂板巖層完整，有利于水力裂縫大范圍擴(kuò)展，能夠有效地弱化、分割頂板巖層。水力致裂后頂板裂隙效果如圖6所示，可以看出，割槽成功，達(dá)到預(yù)期效果。

圖5 致裂壓力變化曲線

圖6 水力致裂后開槽孔形態(tài)

3.2 CO2底板致裂

CO2在低于31℃、壓力大于7.35MPa時(shí)以液態(tài)形式存在，而超過(guò)31℃時(shí)，CO2狀態(tài)由液態(tài)瞬變?yōu)闅鈶B(tài)。在致裂器儲(chǔ)液管內(nèi)充裝液態(tài)CO2，使用起發(fā)器引發(fā)激發(fā)裝置，使液態(tài)CO2瞬間被氣化并產(chǎn)生高壓。其高壓在致裂孔附近形成破碎區(qū)，并滲透進(jìn)一步擴(kuò)展裂隙。隨著時(shí)間推移，CO2氣體運(yùn)移至裂隙內(nèi)形成氣楔，其劈裂作用使得裂隙二次發(fā)育和擴(kuò)展形成裂縫，對(duì)巖體進(jìn)行致裂破壞。

致裂鉆孔布置方法：距巷道煤柱幫2m，施工一排底板卸壓鉆孔，鉆孔間距為5.0m，鉆孔直徑65mm。鉆孔朝向工作面，與巷道垂直方向的夾角為30°，眼斜深5.8m，垂深5m，5103巷CO2底板致裂鉆孔如圖7所示。

圖7 CO2底板致裂鉆孔

4 方案效果檢驗(yàn)

4.1 周期來(lái)壓步距

8103工作面來(lái)壓特點(diǎn)為中部先來(lái)壓，然后頭尾來(lái)壓。周期來(lái)壓步距25m左右，工作面尾部來(lái)壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，工作阻力較大，安全閥開啟頻繁。從550m實(shí)施上述方案后，工作面來(lái)壓步距顯著減小。如圖8所示。

圖8 來(lái)壓步距變化曲線

4.2 工作面支架工作阻力

通過(guò)分析8103工作面支架工作阻力，驗(yàn)證“APR+PRS”巷道圍巖控制方案的有效性。通過(guò)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：實(shí)施方案前支架工作阻力大部分集中在8000～9000kN，占總數(shù)的55%；實(shí)施“APR+PRS”方案后支架工作阻力在8000～9000kN所占比例下降9.76%，支架工作阻力在7000～8000kN所占比例下降4.64%，如圖9所示。

圖9 液壓支架工作阻力區(qū)間

4.3 巷道頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量分析

5103巷道實(shí)施“APR+PRS”方案后，為了更好地檢驗(yàn)圍巖變形控制方案的有效性，在5103巷道布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)實(shí)施方案后巷道表面變形位移曲線，如圖10所示。頂?shù)装逡平繙p少42%，兩幫移近量減少40%。巷道變形區(qū)域由超前30m變?yōu)槌?5m。保證了5103巷道的正常使用，實(shí)現(xiàn)了綜放工作面的高產(chǎn)高效。

圖10 5103巷道表面位移

5 結(jié) 論

(1)采用FLAC數(shù)值模擬，頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)到2000mm，兩幫移近量最大800mm，巷道表面位移實(shí)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：8103工作面回采過(guò)程中，5103巷道圍巖變形嚴(yán)重，頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)到1500mm，兩幫移近量最大800mm，影響范圍為超前50m，嚴(yán)重區(qū)域?yàn)槌?0m范圍。

(2)提出“APR+PRS”的臨空巷道圍巖控制方案，即主動(dòng)卸壓+被動(dòng)加強(qiáng)支護(hù)。主動(dòng)卸壓包括：頂板水壓致裂、CO2底板致裂等；被動(dòng)加強(qiáng)支護(hù)包括：增加單體支設(shè)密度、巷道內(nèi)加支木垛。

(3)通過(guò)周期來(lái)壓步距、支架工作阻力、巷道表面位移監(jiān)測(cè)驗(yàn)證“APR+PRS”臨空巷道圍巖控制方案的有效性。工作面來(lái)壓步距顯著減小、支架工作阻力在8000～9000kN所占比例下降9.76%、頂?shù)装逡平繙p少42%、兩幫移近量減少40%、巷道變形嚴(yán)重區(qū)域由超前30m變?yōu)槌?5m。

(4)“APR+PRS”的臨空巷道圍巖控制方案

有效地控制了臨空巷道的圍巖變形，此方案已廣泛應(yīng)用于馬脊梁礦其他綜放回采工作面。

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