沁水東大煤礦堅硬頂板水壓預裂大巷圍巖控制技術研究與應用

劉戰(zhàn)方

(晉城金成礦山建筑工程有限公司，山西 晉城 048000)

隨著煤炭資源開采時間的增加，井工煤礦開采深度逐漸增大，礦井巷道所面臨的圍巖條件、應力環(huán)境愈加復雜，巷道也不可避免地受到鄰近工作面的采掘動壓影響，僅通過傳統(tǒng)的錨網索支護已難以控制圍巖變形。沁水東大煤礦中央軌道大巷受到3101工作面采動影響后，圍巖失穩(wěn)變形破壞嚴重，已無法滿足使用要求，故以中央軌道大巷地質復賦存條件為背景，采用數值模擬、理論分析及現(xiàn)場監(jiān)測反饋等方法，研究對應回采工作面對大巷穩(wěn)定性的影響，制定針對性的圍巖控制方案，解決大巷在采動影響下失穩(wěn)變形的問題，同時為類似條件巷道圍巖控制提供可靠的參考。

1 工程概況

沁水東大煤礦中央軌道大巷地面標高+702.547 m，工作面標高+25.95～+125.226 m，蓋山厚度577.32～676.6 m，位于西大村以北，距離3號煤層底板平均約8.7 m，服務首采面開采完成，設計長度為1 568.4 m，具體坡度根據煤層變化適當調整，采用直墻半圓拱斷面，掘進寬度4.8 mm，掘進高度3.8 mm，墻高1 400 mm，采用“錨網索噴”聯(lián)合支護，頂板采用螺紋鋼錨桿配合長錨索進行支護，幫部采用螺紋鋼錨桿配合短錨索進行支護，噴厚150 mm，混凝土強度等級C25，鋪底厚度為150 mm，混凝土強度等級為C30，支護斷面如圖1所示。

圖1 中央軌道大巷支護斷面(mm)

2 中央軌道大巷破壞特征及機理分析

中央軌道大巷服務于3號煤首采區(qū)，三條大巷集中布置在采區(qū)中部，中央回風大巷、中央膠帶大巷布置在3號煤層中，回采工作面布置在大巷兩側，工作面由采區(qū)邊界向大巷方向推進，3101工作面為首采工作面，距中央軌道大巷水平距離50 m處停采。中央軌道大巷掘巷期間，巷道表面噴層無明顯開裂，圍巖整體穩(wěn)定，當礦井投入生產后，受到3101工作面采動影響，中央軌道大巷對應巷段出現(xiàn)明顯的變形破壞現(xiàn)象，且工作面距停采線愈近，巷道破壞特征愈明顯，巷道典型的破壞情況如圖2(a)、(b)所示，表面噴層開裂、脫落，幫部鼓包、內移，局部達到500～600 mm，頂板多處出現(xiàn)網兜、下沉現(xiàn)象，下沉量最大處可達500 mm，經歷反復的變形—整修—變形—整修過程，已嚴重威脅礦井的安全高效生產。

結合3號煤層首采區(qū)開拓、回采巷道布置情況，采煤工作面回采期間，其前方巖層內將形成超前支承壓力影響區(qū)[1]，在超前支承應力作用下，中央軌道大巷周圍巖層內垂直應力逐漸增大，圍巖變形破壞，引起巷道斷面收縮，因此可知，回采工作面動壓影響是導致中央軌道大巷失穩(wěn)變形的關鍵因素。采動影響下支撐應力示意如圖2(c)所示。

圖2 中央軌道大巷破壞概況及支承應力示意

3 合理保護煤柱寬度研究

為選擇更加合理的保護煤柱寬度，依據3號煤層一采區(qū)地質條件建立圖3(a)所示模型[2]，模型寬度為280 m，高度為84 m，厚度為20 m，中央回風大巷、膠帶大巷布置在3號煤層中，采用矩形斷面，中央軌道大巷布置在3號煤層下方的泥巖中，巷道斷面為直墻半圓拱形，模型頂面距地面約550 m，均布載荷為13.85 MPa，模型X軸左右、Y軸前后邊界設置固定位移邊界條件，Z軸下部邊界設置固定位移邊界條件，模擬時，首先計算平衡得到初始地應力場，然后進行三條開拓大巷的開挖支護，計算平衡后進行工作面的回采。參閱相關學者研究成果[3-4]，假設保護煤柱寬度為50～120 m，變化梯度為10 m，工作面回采完畢后，統(tǒng)計中央軌道大巷頂底板及兩幫的最大變形量，整理得到圖3(b)所示結果。

圖3 數值模型及分析結果

根據圖3(b)所示結果可以看出，當預留100～120 m保護煤柱時，中央軌道大巷兩幫移近量最大為156 mm，頂底板移近量最大為155 mm。不同保護煤柱寬度條下，巷道表面變形量差異較小，表明此時中央軌道大巷未進入回采工作面超前支承壓力影響區(qū)；預留70～90 m保護煤柱寬度，兩幫移近量由193 mm增大為310 mm，頂底板相對移近量由189 mm增大至289 mm，巷道表面變形量增大較明顯，底鼓量增幅最為明顯，說明此時中央軌道大巷已受到工作面采動影響，但影響程度適中，巷道表面變形量仍在合理范圍內，不影響其正常使用功能；當預留保護煤柱寬度小于70 m后，兩幫相對移近量最大值為463 mm，頂底板相對移近量最大值為445 mm，巷道斷面整體變形較嚴重，表面此時中央軌道大巷收到回采工作面劇烈的動壓影響，已無法滿足其正常使用的要求；綜上所述，保護煤柱寬度為70～90 m之間時，巷道穩(wěn)定性較好，考慮到煤炭采出率，確定最佳保護煤柱寬度為70 m。

4 堅硬頂板水力切頂卸壓技術研究

工作面回采完成后，停采線附近采空區(qū)上方未充分斷裂、垮落的堅硬基本頂形成懸臂結構是導致中央軌道大巷圍巖內應力長期集中的重要原因，因此考慮采用切頂技術使懸臂結構斷裂垮落。結合3號煤層一采區(qū)現(xiàn)場地質情況，3號煤層直接頂為厚度約2.5 m的粉砂巖，直接頂上方依次為細砂巖(厚10 m)、粉砂巖(5.2 m)、中砂巖(7.7 m)。本次切頂的主要目標是距3號煤層21.5 m的中砂巖，次要目標是距3號煤層8.5 m的細砂巖。不同的切頂位置對切頂效果具有重要影響。為確定合理的切頂位置，查閱相關研究成果，初步提出切頂位置與停采線水平距離分別為20 m、15 m、10 m三種方案。采用前文模型進行模擬分析，整理得到圖4所示結果。

圖4 數值模擬分析結果

圖4(a)所示為巖體內垂直應力變化規(guī)律，可以看出，隨著壓裂位移與停采線距離增大，中央軌道大巷圍巖內垂直應力呈減小趨勢。壓裂位置與停采線距離為20 m、15 m、10 m，相對未切頂垂直應力分別下降了3.69%、5.01%、7.44%.不同壓裂位置條件下，集中軌道大巷表面最大位移量如圖4(b)所示，切頂后頂底板、兩幫相對移近量均明顯減小。壓裂點與停采線水平距離20 m、15 m時，巷道表面變形量差異較大；壓裂點與停采線水平距離為10 m時，巷道表面變形量減幅很小；隨著壓裂點與停采線水平距離的減小，停采線附近的垂直應力呈上升趨勢，將影響工作面回采結束后的回撤。因此，綜合考慮中央軌道大巷圍巖應力、變形及液壓支架回撤難易程度等因素，選擇與工作面停采線水平距離15～20 m處作為壓裂點。

5 水力壓裂技術應用

3102工作面距中央軌道大巷70 m處停采，在停采線處進行水壓致裂技術應用試驗。設計A、B兩種壓裂孔形式，采用直徑56 mm的鉆頭施工，鉆桿直徑44 mm，在停采線處進行鉆孔施工。A類終孔距停采線水平距離為15 m，B類終孔距停采線水平距離為20 m，鉆孔間水平距離20 m，最邊緣鉆孔與回采巷道間距為40 m，每個鉆孔均進行4次壓裂，壓裂鉆孔布置如圖5所示。采用手壓泵提供高壓水，最大水壓可達70 MPa，注水管采用高壓軟管。對3102工作面頂板進行水壓致裂切頂后，定期查看對應中央軌道大巷圍巖破壞情況，巷道表面噴層未發(fā)現(xiàn)明顯的破壞，表面位移量可忽略不計，能夠滿足其正常使用的要求，應用效果良好。

圖5 壓裂孔布置詳情方案

6 結 語

1) 3號煤層一采區(qū)中央軌道大巷掘進期間巷道圍巖穩(wěn)定性良好，由于回采工作面超前支承壓力的影響，巷道圍巖變形破壞。

2) 采煤工作面停采位置對中央軌道大巷圍巖穩(wěn)定性具有顯著的影響，巷道穩(wěn)定性與停采線煤柱寬度呈負相關，保護煤柱寬度為70 m較合理。

3) 切頂后可降低中央軌道大巷圍巖內應力集中程度，切頂位置距停采線水平距離15～20 m效果較好，應用后有效控制了中央軌道大巷的失穩(wěn)破壞。為類似地質條件下動壓影響巷道圍巖控制提供了參考。