騰暉煤業(yè)綜放工作面臨空巷道鉆孔卸壓技術(shù)研究

王 鵬

(霍州煤電河津騰暉煤業(yè),山西 運城 043302)

臨空巷道指工作面回采巷道布置在采空區(qū)一側(cè),受側(cè)向支承壓力的影響,巷道的礦壓顯現(xiàn)往往較為劇烈,圍巖難以維護,單純依靠提升支護強度無法有效地控制圍巖變形破壞[1-2]。針對此問題,眾多學(xué)者進行了大量的研究,發(fā)現(xiàn)通過在巷道內(nèi)布置卸壓鉆孔可以有效釋放臨空巷道內(nèi)的集中應(yīng)力,大幅減弱煤體內(nèi)存儲的彈性勢能,從而保證臨空巷道的穩(wěn)定性[3]。

本文以騰暉煤業(yè)2-202工作面2-2021臨空巷為研究對象,采用數(shù)值模擬的方法對巷道卸壓鉆孔的長度及間距等參數(shù)進行分析,確定出合理的參數(shù),保證礦井的安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

騰暉煤業(yè)2-202工作面主采2號煤層,2號煤層位于二疊系山西組下部,煤層賦存穩(wěn)定,傾角平緩,結(jié)構(gòu)簡單,局部含0～2層夾矸,夾矸以泥巖、炭質(zhì)泥巖為主,煤層層理中等發(fā)育,節(jié)理較為發(fā)育,煤質(zhì)較硬,具深褐色條痕。煤層厚度為3.2～6.0 m,平均5.6 m,煤層傾角0～2°.煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

2-202工作面位于二采區(qū)巷道前進方向左翼,北部為F1斷層,南部為已回采的2-201工作面,西部為井田邊界,與大同煤礦集團電力能源大運煤電寺塔煤礦相鄰,東部為二采區(qū)巷道。不存在上覆采空區(qū)。工作面采用走向長壁綜合機械化放頂煤開采,采空區(qū)處理采用頂板全部垮落法。

2-2021巷為2-202工作面的運輸巷,設(shè)計斷面為矩形,巷道寬5.4 m,高3.4 m,采用錨網(wǎng)梁、錨索聯(lián)合支護。由于2-2021巷臨近2-201工作面采空區(qū),在采空區(qū)側(cè)向支承壓力及本工作面超前支承應(yīng)力的雙重影響下,使巷道超前區(qū)域處于高應(yīng)力環(huán)境中,并在短時間內(nèi)出現(xiàn)較大的變形失穩(wěn),加強支護也不能控制其變形。因此,考慮通過在巷道內(nèi)布置卸壓鉆孔的方式來保證巷道的穩(wěn)定性。

2 卸壓鉆孔參數(shù)模擬分析

2.1 巷道鉆孔卸壓機理

在巷道內(nèi)布置一定數(shù)量的卸壓鉆孔,鉆孔在高應(yīng)力環(huán)境下被壓碎并坍塌,釋放能量的同時形成應(yīng)力降低區(qū),從而改變了巷道兩幫的承載特性,降低了煤巷淺部應(yīng)力集中的可能性,改善了淺部圍巖的應(yīng)力環(huán)境[4]。

鉆孔施工后,鉆孔周邊煤體受單向壓縮,當(dāng)應(yīng)力達到煤體極限抗壓強度后,煤體破壞并在鉆孔周圍形成一定范圍的塑性區(qū)。隨著鉆孔深度的增加,煤體由單向受力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài),其抗壓強度得到了提高,承載性較強,因此,施工卸壓鉆孔后,應(yīng)力會向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移[5]。

2.2 建立模型

依據(jù)騰暉煤業(yè)2-202工作面及其2-2021巷為的實際賦存條件,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型,模型尺寸為:長×寬×高=50 m×50 m×30 m.根據(jù)工作面埋深,在模型頂部施加9.2 MPa的垂直應(yīng)力以模擬覆巖壓力,側(cè)壓系數(shù)為1.1.通過邊界條件約束模型四周的水平位移及底部的垂直位移,煤巖體的破壞均服從Mohr-Colomb屈服準(zhǔn)則。計算時,煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)按表2進行賦參。模擬分析不同卸壓鉆孔間距、排距等參數(shù)下的巷道圍巖應(yīng)力及變形特征,確定出合理的卸壓鉆孔參數(shù)。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 鉆孔長度

模擬時,設(shè)置巷道卸壓鉆孔間距為1.2 m,分別對比無卸壓鉆孔及卸壓鉆孔長度為4 m、6 m、8 m、10 m及12 m下的巷道圍巖應(yīng)力及變形特征。

巷道未施工卸壓鉆孔時,垂直應(yīng)力在巷道淺部圍巖集中,應(yīng)力峰值達到了20 MPa,不利于巷道的穩(wěn)定;在巷道兩幫施工卸壓鉆孔后,應(yīng)力集中逐漸向圍巖深部轉(zhuǎn)移,淺部圍巖均處于低應(yīng)力環(huán)境下;隨著卸壓鉆孔長度的增大,垂直應(yīng)力峰值的位置越遠(yuǎn)離巷道,但鉆孔長度達到10 m后,巷道淺部圍巖應(yīng)力的變化幅度逐漸減小,最大應(yīng)力為5 MPa.

圖1為不同卸壓鉆孔長度下的巷道圍巖變形特征。

圖1 不同卸壓鉆孔長度下的巷道圍巖變形特征

由圖1可知,隨著鉆孔長度的增加,巷道頂板下沉量及底鼓量呈先增后減再增的趨勢,其中,鉆孔長度為6 m時,頂板下沉量達到最大值510 mm,鉆孔長度為10 m時,頂板下沉量最小值390 mm;鉆孔長度為5 m時,底鼓量達到最大值360 mm,鉆孔長度為10 m時,底鼓量最小值240 mm;而巷幫變形量則隨著鉆孔長度的增加,呈先減小后增大的趨勢,并在鉆孔長度為8 m時達到最小值328 mm.

綜上分析可知,卸壓鉆孔長度為10 m時,巷道圍巖的卸壓效果較好,且圍巖變形量較小。

2.4 鉆孔間距

模擬時,設(shè)置鉆孔長度為10 m,分別對比無卸壓鉆孔、單排卸壓鉆孔、雙排卸壓鉆孔(間距為1.2 m)及雙排卸壓鉆孔(間距為0.6 m)下的巷道圍巖應(yīng)力及變形特征。

隨著卸壓鉆孔數(shù)量的增多、鉆孔間距減小,巷道圍巖的應(yīng)力集中程度明顯減小,且應(yīng)力降低區(qū)域的范圍也逐漸擴大,有利于巷道的穩(wěn)定,說明鉆孔間距越小,卸壓效果越明顯。

圖2為不同卸壓鉆孔間距下的圍巖位移特征。由圖2可知,巷道底板變形量隨著鉆孔間距的減小,呈先減小后增大的趨勢,并在鉆孔間距為1.2 m時達到最小值253 mm;而巷道頂板下沉量及巷幫變形量基本隨著鉆孔間距的減小,呈先增大后減小的趨勢,并在鉆孔間距為1.2 m時達到最小值,均為385 mm.因此,綜上所述,確定合理的鉆孔間距為1.2 m,此時,巷道圍巖的卸壓效果較好,且圍巖變形量較小。

圖2 不同卸壓鉆孔間距下的圍巖位移特征

2.5 鉆孔直徑

不同鉆孔直徑下的巷幫圍巖內(nèi)垂直應(yīng)力分布特征如圖3所示。

圖3 不同鉆孔直徑下的巷幫圍巖內(nèi)垂直應(yīng)力分布特征

由圖3可知,隨著鉆孔直徑的增大,巷幫內(nèi)垂直應(yīng)力峰值及峰值點與巷幫表面的距離均呈先增大、后減小、再增大、再減小的趨勢,當(dāng)卸壓鉆孔直徑為120 mm時,巷幫內(nèi)垂直應(yīng)力峰值為44 MPa,峰值點與巷幫的距離為9.6 m,應(yīng)力峰值較小,并且峰值位置距巷幫較遠(yuǎn),卸壓效果最明顯。

綜合數(shù)值模擬結(jié)果,確定出合理的卸壓鉆孔長度為10 m,鉆孔間距為1.2 m,鉆孔直徑為120 mm.

3 現(xiàn)場實踐

3.1 鉆孔布置

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場實際,在2-2021巷道兩幫施工卸壓鉆孔,鉆孔深度不低于10 m,鉆孔間距為1.2 m,鉆孔孔徑為120 mm,每排施工4個鉆孔,排距為3 m.采用ZY-150型鉆機進行鉆孔。

3.2 應(yīng)用效果分析

為分析卸壓鉆孔的卸壓效果,在巷道內(nèi)布置測點對圍巖表面的位移情況進行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示,隨著工作面的回采,巷道變形量逐漸增大,監(jiān)測期間巷道頂板最大下沉量為150.4 mm,最大底鼓量為42.7 mm,兩幫最大移近量為170.7 mm,圍巖整體變形量均在允許變形范圍內(nèi),說明設(shè)計的卸壓鉆孔有效改善了巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境,應(yīng)用效果良好。

4 結(jié) 語

1) 通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了巷道內(nèi)不同鉆孔參數(shù)下的卸壓效果,確定出合理的卸壓鉆孔長度為10 m,鉆孔間距為1.2 m,鉆孔直徑為120 mm.

2) 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)計了巷道卸壓鉆孔布置方案,現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明:在巷道內(nèi)實施鉆孔卸壓后,回采期間,巷道頂板最大下沉量為150.4 mm,最大底鼓量為42.7 mm,兩幫最大移近量為170.7 mm,總體變形量較小,卸壓效果較好。