雙采動(dòng)影響下預(yù)留巷道圍巖控制技術(shù)研究

李俊福

(山西晉煤集團(tuán) 長(zhǎng)治仙泉煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

巷道作為煤炭開(kāi)采空間的一部分，其圍巖的穩(wěn)定性決定了煤炭的安全開(kāi)采和回采效率[1-2]. 巷道在服務(wù)期間受周?chē)鷱?fù)雜應(yīng)力環(huán)境的影響，影響了巷道的完整性，甚至縮短了巷道的服務(wù)年限[3].

目前，巷道圍巖變形技術(shù)多針對(duì)于巷道的后期維護(hù)，如巷道變形后的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、后期的破碎圍巖注漿加固等[4-5]. 這些技術(shù)方法雖然短時(shí)間內(nèi)控制了巷道圍巖變形，但沒(méi)有從巷道變形機(jī)理的角度治理，耗費(fèi)財(cái)力物力多，返修率較高[6]. 由于回采巷道的特殊性，受回采的影響，在服務(wù)期間圍巖大多要發(fā)生強(qiáng)烈破壞并產(chǎn)生較大的松動(dòng)變形，變形及應(yīng)力狀態(tài)的不同將使圍巖表現(xiàn)出不同的承載特性及穩(wěn)定性特征。巷道圍巖的控制過(guò)程是一個(gè)貫穿圍巖各個(gè)變形階段的復(fù)雜過(guò)程。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的有效控制，必須正確認(rèn)識(shí)圍巖在各變形階段的穩(wěn)定狀態(tài)本質(zhì)，掌握巷道周?chē)鷳?yīng)力各個(gè)階段變化，從圍巖變形機(jī)理的角度，針對(duì)性地控制不同圍巖條件下的巷道變形，達(dá)到巷道在回采期間的服務(wù)要求，節(jié)約維修成本。

針對(duì)晉煤集團(tuán)古書(shū)院礦152309工作面在雙采動(dòng)影響下預(yù)留巷道變形情況，對(duì)巷道圍巖變形機(jī)理進(jìn)行調(diào)研分析，采用切頂卸壓轉(zhuǎn)移應(yīng)力，同時(shí)聯(lián)合進(jìn)行錨索注漿加固的方式，解決其巷道變形問(wèn)題。

1 工程概況

古書(shū)院礦152309工作面開(kāi)采15#煤層，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度1 588 m，傾斜長(zhǎng)度為181 m，煤厚0.8～2.8 m，傾角5°，地面標(biāo)高875～1 050 m，工作面標(biāo)高563～616 m. 直接頂巖性為10.13 m厚灰?guī)r，屬于堅(jiān)硬巖層。直接底板巖性為3.12 m厚泥巖，屬于軟巖層基本底。工作面巷道布置采用一面兩巷(一進(jìn)一回)的布置形式。工作面布置圖見(jiàn)圖1.

圖1 152309工作面布置圖

2 巷道圍巖變形特征與分析

2.1 巷道圍巖變形特征

通過(guò)對(duì)古書(shū)院礦不同開(kāi)采條件下工作面回采巷道圍巖變形量實(shí)測(cè)可知，高應(yīng)力水平是預(yù)留巷道圍巖錨固體流變失穩(wěn)的內(nèi)在原因，而不同的錨桿-錨索耦合支護(hù)參數(shù)是巷道圍巖錨固體流變穩(wěn)定的外在因素。分析巷道圍巖錨固體的變形破壞特征，有利于實(shí)現(xiàn)流變圍巖的有效控制。該礦臨近工作面巷道的主要變形特征為：

1) 頂板均為堅(jiān)硬巖層，承載能力強(qiáng)，巖體強(qiáng)度大，不發(fā)生撓曲變形，不易破碎。

2) 臨近工作面回采巷道兩幫變形量較大，片幫嚴(yán)重。

3) 巷道底鼓嚴(yán)重。在回采151305工作面過(guò)程中，工作面膠帶巷受二次采動(dòng)影響底鼓達(dá)到0.8～1.5 m；在回采151306工作面過(guò)程中，工作面回風(fēng)巷受初次采動(dòng)影響底鼓達(dá)到0.5～1.2 m，膠帶巷受二次采動(dòng)影響底鼓達(dá)到0.7～1.5 m；回采152307工作面過(guò)程中回風(fēng)巷受初次采動(dòng)影響底鼓達(dá)到0.5～1.2 m.

2.2 圍巖變形機(jī)理分析

通過(guò)對(duì)該工作面地質(zhì)調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)：該地質(zhì)區(qū)域煤層直接頂厚度大、強(qiáng)度高、完整性好，推進(jìn)過(guò)程中在工作面端部容易形成長(zhǎng)度較大的懸臂梁，礦壓通過(guò)懸臂梁傳遞到煤柱上，引起巷道保護(hù)煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度高。而預(yù)留巷道與采空區(qū)間的煤柱僅為25 m，支承壓力帶寬度為44 m，巷道在距工作面15 m的應(yīng)力峰值區(qū)域時(shí)，斷面巷道在工作面回采期間受工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊戄^大，使得巷道圍巖破壞嚴(yán)重。

3 治理方案設(shè)計(jì)及效果分析

通過(guò)對(duì)臨近工作面巷道圍巖變形特點(diǎn)分析可知，應(yīng)力集中是造成巷道片幫、底鼓嚴(yán)重的主要原因，轉(zhuǎn)移應(yīng)力將有效減緩巷道受到的高集中應(yīng)力，達(dá)到圍巖控制的目的。根據(jù)切頂卸壓原理[7-8]，采用超前深孔預(yù)裂爆破處理堅(jiān)硬頂板，在工作面保護(hù)煤柱側(cè)對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破，切斷1523092與1523103兩巷間的頂板結(jié)構(gòu)，減小基本頂懸臂梁長(zhǎng)度和懸頂面積，破壞頂板儲(chǔ)能條件，釋放預(yù)留巷道沿空側(cè)頂板壓力，降低側(cè)向壓力在巷道圍巖內(nèi)的應(yīng)力集中程度。同時(shí)為保證后期巷道的穩(wěn)定，聯(lián)合錨索注漿對(duì)巷道圍巖進(jìn)行加固[9].

3.1 切頂卸壓方案設(shè)計(jì)

3.1.1爆破鉆孔布置參數(shù)

沿1523092巷靠近煤柱一側(cè)300 mm處，從切眼向外每隔5 m布置一個(gè)鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度15 m, 仰角為45°(向工作面后方)，水平角度為0°，裝藥長(zhǎng)度5 m，裝藥量15 kg，炮孔剩余部分用炮泥封滿；切眼貫通后，工作面回采之前，布置好切眼向外50 m范圍內(nèi)的10個(gè)鉆孔，實(shí)施預(yù)裂爆破；在152309工作面回采的過(guò)程中，始終保持工作面前方50 m范圍內(nèi)已經(jīng)實(shí)施1523092巷的預(yù)裂爆破。具體施工方案見(jiàn)圖2.

圖2 超前支護(hù)與切頂炮眼空間關(guān)系示意圖

3.1.2爆破工藝

采用雙向聚能爆破技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的定向切割。雙向聚能拉張成型爆破指將藥包放入兩個(gè)設(shè)定方向有聚能效應(yīng)的聚能裝置，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設(shè)定方向上均勻受壓，而在設(shè)定方向上集中受拉，實(shí)現(xiàn)被爆破體按照設(shè)定方向拉張斷裂成型。具體爆破參數(shù)為：

1) 鉆具及鉆孔。選用ZDY-1250型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)，三翼復(fù)合片鉆頭及天然金剛石表鑲鉆頭，成鉆孔d75 mm.

2) 使用的炸藥和雷管種類(lèi)。炸藥使用煤礦許用2號(hào)乳化炸藥，藥卷d60 mm×500 mm，1.5 kg/卷，雷管使用煤礦許用8號(hào)普通瞬發(fā)、毫秒延期、秒延期電雷管。

3) 裝藥與封孔。把起爆藥卷做好后放入PVC管內(nèi)，裝到要求長(zhǎng)度后，用炮棍把PVC管推入到孔底。

3.2 錨索注漿加固方案設(shè)計(jì)

注漿錨索加固原理是將錨索的支護(hù)作用與注漿加固的作用組合起來(lái)，共同作用于巷道圍巖，通過(guò)注漿錨索壓注有機(jī)或無(wú)機(jī)漿液，不僅能從根本上保證錨索的可靠性，而且漿液通過(guò)滲透擴(kuò)散對(duì)周?chē)蓜?dòng)的煤巖體產(chǎn)生黏結(jié)固化作用，顯著改善其整體性，提高煤巖體的自撐能力，改善巷道支護(hù)效果。注漿錨索采用中空結(jié)構(gòu)，中空管兼做注漿管，索體由鋼絲、注漿芯管構(gòu)成。對(duì)普通錨索的索體加工成注漿芯管并改進(jìn)錨索錨具結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂錨固、錨索預(yù)緊和中空管注漿一體化。

3.2.1注漿錨索布置參數(shù)

在1523103巷道原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，從預(yù)留巷道的兩幫分別平行底板向煤壁內(nèi)補(bǔ)打注漿錨索以加強(qiáng)圍巖控制，即在現(xiàn)有每排錨桿之間三花眼交錯(cuò)式的增加型號(hào)d22 mm×5 300 mm的中空注漿錨索，注漿錨索布置圖見(jiàn)圖3.

圖3 中空注漿錨索布置示意圖

3.2.2施工工藝

注漿錨索施工工藝流程為：確定錨索孔位—打眼鉆孔—安裝錨索—注漿—封孔。

選用FLZ-1型高強(qiáng)注漿材料，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用證明其快凝早強(qiáng)的效果優(yōu)于普通水泥漿。主要成分為粉煤灰、超細(xì)水泥、增強(qiáng)劑、懸浮劑和成巖劑等，注漿壓力為5.0～7.0 MPa，注漿半徑0.75 m，單孔注漿量300 L，注漿時(shí)間為20～30 min.

為保證注漿量，注漿時(shí)采用間歇式注漿。在保證不漏漿的基礎(chǔ)上逐漸加大注漿壓力，當(dāng)達(dá)到注漿設(shè)計(jì)壓力后停止注漿，更換下一鉆孔進(jìn)行注漿加固。注漿結(jié)束后清洗注漿管路。

3.3 工程效果檢驗(yàn)分析

直接頂在預(yù)先切頂?shù)淖饔孟卵厍锌p垮落，采空區(qū)側(cè)向未形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，采空區(qū)端面煤體淺部破壞深度比未切頂時(shí)明顯減少；煤柱內(nèi)最大應(yīng)力集中系數(shù)由2.35降為1.67，降幅29%；巷道斷面收縮率由35.3%降為18.9%，巷道圍巖穩(wěn)定性明顯提高。中空注漿錨索對(duì)加固巷道變形起到了明顯的效果。對(duì)1523103預(yù)留巷道不同采動(dòng)影響期間的表面位移進(jìn)行觀測(cè)，其中1523103巷與1523092巷相鄰，為下一工作面152310服務(wù)，工作面的回采順序?yàn)橄葘?duì)152309工作面進(jìn)行回采，待152309工作面回采完畢且采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定后對(duì)152310工作面進(jìn)行回采，兩工作面布置圖見(jiàn)圖1. 選取兩個(gè)代表性測(cè)點(diǎn)，其圍巖變形曲線見(jiàn)圖4，152309工作面回采期間巷道的變形主要以底鼓為主，頂?shù)装遄畲笠平繛?00 mm，兩幫最大移近量為20 mm；在152310工作面回采期間巷道變形主要以頂?shù)装遄冃螢橹鳎數(shù)装遄畲笠平繛?74 mm，兩幫移近量最大移近量為77 mm，其圍巖變形情況能夠滿足工程需求，保證巷道在服務(wù)期間的安全使用。

圖4 巷道圍巖變形曲線圖

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)古書(shū)院礦地質(zhì)條件調(diào)研分析可知，頂板厚度大、強(qiáng)度高、完整性好造成工作面應(yīng)力集中，巷道保護(hù)煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度高是造成巷道圍巖變形的主要原因。

2) 針對(duì)雙采動(dòng)影響下圍巖的變形特征，提出了切頂卸壓聯(lián)合錨索注漿加固方案，并給出了切頂卸壓爆破參數(shù)、錨索注漿加固布置參數(shù)以及相應(yīng)的施工工藝參數(shù)。

3) 工業(yè)性試驗(yàn)取得了成功，治理方案有效降低了雙采動(dòng)影響下預(yù)留巷道周邊的圍巖應(yīng)力，巷道圍巖變形得到有效控制，滿足了巷道使用要求。