前和煤業(yè)東膠帶運輸大巷鉆孔卸壓圍巖控制技術

李懷軍，李慧娟

(1.山西高平科興前和煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048400； 2.晉城職業(yè)技術學院，山西 晉城 048000)

煤礦深部巷道圍巖在高地應力、高滲透壓等的長時間作用下常面臨變形量大、支護難的問題。國內(nèi)外學者針對高應力動壓巷道的控制技術開展了大量研究，如魯巖等[1]通過理論分析計算，確定了卸壓巷道的合理位置及讓壓煤柱的合理寬度?，F(xiàn)場應用結(jié)果表明，卸壓巷的開掘，既減小了運輸巷的表面位移量，又轉(zhuǎn)移了其周圍的集中應力，改善了運輸巷的穩(wěn)定性，有利于回采巷道的維護。劉斌等[2]基于大型有限元ABAQUS軟件分析了卸壓巷道在不同位置、不同開挖順序、不同相對距離等條件下保護巷道圍巖體的應力應變。分析結(jié)果表明，布置卸壓巷道能明顯改善高地應力巷道周圍的應力集中，有利于巷道整體結(jié)構的穩(wěn)定性。張向陽[3]的研究結(jié)果表明：在不增大保護煤柱的前提下，卸壓爆破能有效地控制巷道圍巖變形，減小煤炭損失率。王猛等[4]通過進行圍巖衰減規(guī)律方面的試驗研究，得出鉆孔卸壓的各項參數(shù)對應力轉(zhuǎn)移效果的影響，并提出了合理確定各項鉆孔卸壓參數(shù)的方法。卸壓技術成為一種常用的圍巖控制手段。

1 工程概況

山西高平科興前和煤業(yè)3#煤層東膠帶大巷，巷道南側(cè)為東軌道大巷，北側(cè)為3105綜放工作面采空區(qū)，東膠帶大巷沿煤層底板掘進，3#煤層均厚5.48 m，煤層基本頂為粗粉砂巖，均厚2.0 m，基本頂為中粒砂巖，均厚5.6 m，直接底為粗粉砂巖，均厚2.1 m，基本底為細粒砂巖，均厚4.0 m. 3#煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1. 3#煤層北軌道大巷斷面形狀為直墻半圓拱形，掘進高度3.6 m，掘進寬度為4.6 m，由于東膠帶大巷北側(cè)為工作面采空區(qū)，南側(cè)為另兩條掘進大巷，且頂板節(jié)理裂隙及構造較為發(fā)育，巷道在掘進期間出現(xiàn)頂板下沉、底板鼓起、兩幫移近量大的現(xiàn)象，其中巷道兩幫移近量較大，兩幫移近量的最大值為600 mm，頂板下沉量最大為150 mm，底板鼓起量最大值為300 mm. 在巷道掘進作業(yè)時，對兩幫進行多次擴幫作業(yè)，仍無法正常使用，根據(jù)地質(zhì)情況分析得出，出現(xiàn)圍巖變形量大的主要原因為圍巖應力集中程度較高，在高應力的作用下，巷道支護結(jié)構失效，故急需采用有效的卸壓措施保障巷道圍巖的穩(wěn)定。

2 巷道鉆孔卸壓機理

2.1 鉆孔卸壓原理

巷道鉆孔卸壓技術因為具有工程量小和工藝簡單的優(yōu)點，得到大范圍的采用。該技術主要通過在指定區(qū)域內(nèi)打設卸壓鉆孔，使得巷道圍巖內(nèi)的裂隙能夠快速發(fā)育，進而有效降低巷道圍巖的應力，將巷道圍巖的集中應力向深部轉(zhuǎn)移，同時能夠使得圍巖在破壞時，將高應力得到充分的釋放[3-4]，保證巷道淺部圍巖處于穩(wěn)定的應力降低區(qū)域內(nèi)，具體鉆孔卸壓技術原理見圖1.

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r層特征表

圖1 鉆孔卸壓機理示意圖

采用鉆孔卸壓技術時，巷道的應力轉(zhuǎn)移效果是評價卸壓效果的直接指標，現(xiàn)采用巷道圍巖垂直應力的大小來表征高應力的大小。圖1中，巷道在施工卸壓鉆孔后，原有的垂直應力峰值σp及垂直應力峰值的位置L產(chǎn)生改變，通過分析垂直應力峰值及峰值位置變化量的大小來綜合評價鉆孔卸壓技術的效果。

2.2 卸壓鉆孔相關參數(shù)分析

1) 卸壓時機與方位。

對相關卸壓鉆孔的研究及工程實踐表明[5]，巷道圍巖的應力環(huán)境是決定卸壓方位的主要影響因素。為充分利用鉆孔卸壓的效果，應當盡量保障卸壓鉆孔的長度方向與圍巖的最大主應力方向相交，若巷道的水平應力為最大主應力，則卸壓鉆孔的施工方向應為垂直方向，當巷道最大主應力方向為垂直方向時，卸壓鉆孔應在巷道幫部沿著水平進行施工。

根據(jù)東膠帶大巷圍巖變形的具體特征，巷道所處區(qū)域的最大主應力方向為自重應力的方向，若在巷道支護完成后進行卸壓鉆孔的施工會對已運動穩(wěn)定的圍巖造成一定的擾動，致使產(chǎn)生新的圍壓變形量，故卸壓鉆孔在未進行修巷段進行，待卸壓鉆孔施工完畢后再進行修巷作業(yè)，由于東膠帶巷的圍巖變形主要為兩幫移近量大，故基于此，卸壓鉆孔選擇在巷幫水平方向施工。

2) 卸壓鉆孔長度確定。

為有效確定東膠帶巷卸壓鉆孔的長度，根據(jù)3#煤層頂?shù)装鍘r層的具體條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立高50 m×寬50 m×厚10 m的鉆孔卸壓模型，模型選用摩爾-庫倫準則，固定模型底邊界和水平邊界的位移，巷道等效埋深270 m，取上覆巖層的容重為25 kN/m2，計算后在模型上部施加6.75 MPa的載荷，根據(jù)礦井提供的3#地應力測試報告，設置模型的側(cè)壓系數(shù)為0.8，現(xiàn)采用單因素變量法進行鉆孔長度的模型分析，設置卸壓鉆孔的間排距為1 000 mm×1 000 mm，模擬分析未施加卸壓鉆孔時、卸壓鉆孔長度為2～12 m時圍巖垂直應力場的分布規(guī)律，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出不同卸壓鉆孔下巷幫垂直應力分布、應力峰值位置，見圖2.

圖2 不同卸壓鉆孔長度下巷幫垂直應力分布對比圖

由圖2可知，在巷道幫部未進行鉆孔卸壓時，巷道幫部垂直應力的峰值主要出現(xiàn)在圍巖表面5.0 m的位置處，垂直應力峰值的強度為27.5 MPa. 當巷道幫部施工卸壓鉆孔時，隨著幫部卸壓范圍的發(fā)育，巷道幫部垂直應力出現(xiàn)不同程度的衰減，當卸壓鉆孔的深度小于垂直應力峰值出現(xiàn)深度時，此時卸壓鉆孔對圍巖存在著一定的卸壓作用，但卸壓效果較小，當卸壓鉆孔的長度超過垂直應力峰值的位置時，卸壓鉆孔通過破壞圍巖的完整性，使得幫部垂直應力的峰值出現(xiàn)一定程度的衰弱，并逐漸向圍巖的深部轉(zhuǎn)移。

隨著卸壓鉆孔長度的增加，巷幫圍巖應力峰值的轉(zhuǎn)移程度也逐漸增大，應力峰值出現(xiàn)逐漸減小的趨勢。當卸壓鉆孔從4 m增長到6 m時，幫部垂直應力峰值由30.2 MPa減小到29.7 MPa，當卸壓鉆孔長度由6 m增大到8 m時，應力峰值由29.7 MPa減小到28.9 MPa. 由圖2可知，當鉆孔長度L處于原應力峰值深度L，兩倍原應力峰值深度2L時，巷道圍巖的整體應力環(huán)境會得到有效地改善，卸壓效果最好。故綜合東膠帶巷道的具體情況，確定卸壓鉆孔的深度為8 m，卸壓前后巷道圍巖垂直應力的分布狀態(tài)見圖3.

圖3 不同卸壓鉆孔長度下圍巖垂直應力分布圖

3 鉆孔卸壓圍巖控制技術

3.1 支護方案設計

根據(jù)東膠帶大巷圍巖變形的具體特征，在進行圍壓控制技術方案設計時，遵循保障巷道圍巖穩(wěn)定、降低修巷次數(shù)及成本費用的原則，制定圍巖控制技術和流程：首先采用鉆孔卸壓技術對巷道圍巖進行卸壓，再在巷道內(nèi)采用全斷面的讓壓支護技術適應一定的圍巖變形能力。

1) 鉆孔卸壓技術。

根據(jù)上述對卸壓鉆孔的方位、時機的分析結(jié)果，確定卸壓鉆孔在巷幫水平施工，根據(jù)卸壓鉆孔長度的數(shù)值模擬結(jié)果確定鉆孔長度為8 m，結(jié)合巷道圍巖的具體情況，確定卸壓鉆孔的施工位置為巷道兩幫，巷道每幫施工兩個卸壓鉆孔，卸壓鉆孔垂直于巷道打設，鉆孔d133 mm，長度為8 m，間排距為1 000 mm×800 mm，底部卸壓鉆孔距離巷道底板800 mm，具體布置方案見圖4.

圖4 卸壓鉆孔布置方式示意圖

2) 全斷面讓壓支護。

考慮到巷道圍巖中存在不可控制的變形量，在后續(xù)巷道掘進作業(yè)時，預留200 mm的空間給巷道不可控制的變形量，即后續(xù)巷道的掘進高度為4 100 mm，掘進寬度為5 000 mm，巷道內(nèi)部采用全讓壓錨桿支護，讓壓錨桿為d22 mm×2 400 mm，間排距為800 mm×800 mm，錨桿與巷道圍巖的夾角成45°，并通過鋼筋梯子梁將讓壓錨索連接為一個整體，頂板錨索每斷面內(nèi)打設3根，錨索為d21.6 mm×8 300 mm的1×7股鋼絞線，間排距為1 500 mm×1 600 mm，兩幫打設4根短錨索，短錨為d21.6 mm×4 300 mm的1×7股鋼絞線，錨索支護時配套使用同規(guī)格的槽鋼和托盤。在讓壓支護完成后，對巷道全斷面噴射厚度為100 mm的混凝土層，巷道支護斷面圖見圖5.

3.2 效果分析

為分析3#煤層東膠帶大巷采用鉆孔卸壓+讓壓支護方案后的圍巖控制效果，采用十字布點法在巷道表面位移進行持續(xù)70 d的礦壓監(jiān)測，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)得到巷道表面位移的曲線圖，見圖6.

圖5 全斷面讓壓支護形式斷面圖

圖6 支護方案實施后圍巖變形曲線圖

由圖6可知，支護方案實施后，在0～30 d巷道圍巖頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟砍掷m(xù)增大，15～20 d，頂?shù)装寮皟蓭偷淖畲笞冃嗡俾时３衷?～6 mm/d，20～40 d，頂?shù)装寮皟蓭偷淖畲笞冃嗡俾时３衷?～1.5 mm/d，支護方案實施40 d后，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤颈３址€(wěn)定。表明此時巷道已處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道兩幫最大移近量為132 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?41 mm；未采用鉆孔卸壓技術段巷道兩幫移近量、頂板下沉量、底板鼓起量的最大值分別為600 mm、150 mm和200 mm.

4 結(jié) 論

通過分析3#煤層東膠帶大巷原有錨網(wǎng)索支護圍巖變形量大的特征，采用理論分析與數(shù)值模擬的方式確定卸壓鉆孔在修巷前垂直于巷幫打設，鉆孔d133 mm，深度為8 m，并對圍巖控制方案進行具體設計；根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果顯示，巷道采用卸壓鉆孔+讓壓支護的圍巖控制方案后，頂?shù)装搴蛢蓭偷淖畲笠平糠謩e為141 mm和132 mm，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。