全煤巷鉆孔卸壓技術的應用

星寧江

(潞安集團王莊煤礦,山西省長治市,046031)

全煤巷鉆孔卸壓技術的應用

星寧江

(潞安集團王莊煤礦,山西省長治市,046031)

為解決回采工作面回風巷因大斷面、高應力動壓影響,出現變形大難于支護、斷面面積無法滿足回采期間通風及運輸要求等問題,王莊煤礦在5218回風巷中通過采用鉆孔卸壓技術,很好地控制了圍巖變形。

煤巷掘進 動壓巷道 圍巖控制 鉆孔卸壓

隨著開采深度的加大,地壓越來越大,圍巖地質條件也更為復雜。王莊煤礦曾在3#煤層巷道中普遍采用普通錨梁網索等方式進行巷道支護,但巷道損壞嚴重,錨索拉斷、錨索托盤拉抽、錨桿墊板和絲扣壓壞、鋼帶壓入圍巖或斷裂等現象經常出現,巷道變形量依然較大,控制效果不明顯。而且在工作面回采期間,受超前采動支承壓力作用,采空區上方頂板將發生旋轉、下沉和破斷,沿空巷道圍巖會發生劇烈變形,而且不同部位變形差異顯著,尤其是小煤柱變形、破壞最嚴重。

為了實現高效集約化生產,王莊煤礦在5212綜放工作面回采結束后、采空區頂板運動穩定之前,急需準備5218綜放工作面,即沿5212綜放工作面采空區5 m、25 m分別掘進5218回風巷和5218瓦斯巷,回風巷及瓦斯巷掘進引起的應力重新分布與5212綜放工作面采動應力疊加,造成5218回風巷圍巖應力分布極其復雜,在疊加應力的作用下,錨桿、錨索被拉斷現象發生頻繁,巷道圍巖變形厲害、極難維護。單純的用加強支護的方法克服高應力巷道礦壓,致使成本過高而無法采用,而主動卸壓技術無疑是一種較好的選擇,使巷道頂板中應力向煤幫縱深處轉移,相對降低巷道兩側煤幫中的應力,達到控制兩幫移近及頂底板移近的目的,最大限度地減少擴幫和臥底量。通過理論分析、物理實驗、物理模擬以及數值模擬等方法,確定在5218回風巷的實體煤側煤幫打設一排一定尺寸的卸壓孔,降低巷道圍巖周圍應力,提高圍巖強度和抵抗變形的能力。

1 鉆孔卸壓技術的實施

1.1 施工巷道概況

5218工作面位于52盤區,南鄰5212采空區,北為井田邊界,東臨52專用回風巷、52輔助運輸軌道巷和52帶式輸送機巷,西為井田邊界,地面位于西回轅村莊東南。5218回風巷設計長度為1048 m,前進右側與5218瓦斯巷留煤柱15 m,前進左側與5212已采工作面運輸巷留凈煤柱僅5 m,工作面平面布置見圖1。所掘煤層為沁水煤田3#煤層,賦存于二疊系山西組中下部地層中,為陸相湖泊型沉積,煤層厚度穩定,平均厚度7.44 m左右。工作面為一向西傾斜的單斜構造,煤層傾角為2～6°之間,全煤含夾矸5層,總厚度0.56 m;直接頂為泥巖,平均厚度7.47 m;老頂為細砂巖,平均厚度5.2 m;直接底為4.23 m厚的泥巖;老底為6.66 m的中砂巖。

圖1 5218工作面平面布置圖

1.2 巷道變形的主要原因

(1)由于煤層與頂底板的巖性差別,巷道掘進引起圍巖應力變化并通過剛性較大的頂底板巖層擴展到煤層區域,使煤層受到較均勻的垂直附加應力作用并產生大范圍的塑性區。

(2)受高應力動壓、靜壓影響。5218回風巷一幫為已進入塑性狀態的窄煤柱,另一幫為實體煤。巷道埋深約320 m,煤層單軸抗壓強度實驗值在30～40 MPa之間,抗拉強度在4.5 MPa左右,與原巖應力屬于同一水平,煤體強度小;巷道沿采空區邊緣掘進,其破碎區、塑性區較大,巷道周圍煤體強度更小;5212綜放工作面采空區頂板巖層活動尚未穩定,5218回風巷、瓦斯巷的掘進引起應力與采動支撐應力相互疊加,巷道動壓顯現劇烈;此外5218本工作面回采產生的動壓會更嚴重地影響巷道圍巖的穩定,巷道維護難度加大。

(3)巷道頂板節理較發育。5218回風巷沿底板掘進,頂部尚有4.2 m左右的煤層,并含2層夾矸。直接頂為易破碎、冒落的泥巖,節理發育,含植物化石,厚度7.47 m,可隨采隨冒,形成復合頂板,不穩定煤、巖復合頂板厚度達11.7 m,維護條件差。

(4)水平應力較大,因巷道開挖,使煤層抗水平應力的截面減少了一半,使巷道周圍煤體抗水平應力的能力下降,于是煤層沿水平層理面向巷道擠入,造成冒頂、片幫、幫錨桿被拉斷等現象,巷道兩幫變形嚴重。

(5)5218回風巷沿5212工作面采空區掘進,沿傾向處于5212工作面采動和沿走向處于本工作面回采引起的疊加支承壓力作用產生的高應力區內,一般支護方式必將造成圍巖的大變形、大范圍破壞,破壞范圍長達3～4 m以上,塑性區寬度超過5～10 m。

1.3 鉆孔參數確定及施工

根據王莊礦地質條件,為系統地研究5218工作面回風巷在鉆孔卸壓方案下圍巖的受力變形情況,采用三維非線性巖石力學數值計算方法,重點模擬鉆孔卸壓對巷道圍巖變形的影響,優化鉆孔卸壓技術參數。鑒于現場技術和裝備條件,將5218工作面回風巷卸壓孔孔徑定為80mm,間距為800mm,孔深6000mm。

鉆孔布置在5218回風巷的實煤體一側,距巷道頂板1.5 m的兩排幫錨桿中間。鉆孔施工滯后掘進工作面20 m進行,采用地質鉆施工。鉆孔的同時注水軟化孔間煤柱,提高卸壓效果。工作面鉆孔布置正視、側視圖見圖2和圖3。

圖2 鉆孔布置正視圖

圖3 鉆孔布置側視圖

2 試驗巷道變形量實測與分析

2.1 測站布置及觀測結果

安設表面位移測站,監測巷道斷面位移情況。在頂板中部垂直方向和兩幫水平方向鉆直徑30mm、深500mm的孔,將直徑20mm、長500mm的高強螺紋鋼用樹脂藥卷錨固在孔內,螺紋鋼一頭焊制彎鉤用于測量,巷道表面位移測點布置見圖4。

圖4 巷道表面位移測點布置

(1)在C、D之間,A、B之間使用收斂計測量巷道頂底板和兩幫的位移量。

圖5 卸壓段與未卸壓段頂底板移近量對比

(2)測量精度要求達到1mm;記錄監測斷面至掘進工作面的距離。

距掘進面50 m之內,每天觀測2次,其它時間每天1次。觀測結果見圖5和圖6。

2.2 結果分析

(1)綜放沿空巷道在回采影響期間,巷道圍巖變形以兩幫變形為主,兩幫變形快且變形量大。一般是頂底板相對移近量的3～3.5倍。

圖6 卸壓段與未卸壓段兩幫移近量對比圖

(2)采用卸壓技術段的巷道,前10天頂底板移近量幾乎為零,25天穩定后為280mm。而未采用卸壓段,第7天頂煤下沉量達到300mm,第11天達到700mm,是采用卸壓技術段總下沉量的2倍多;

(3)采用卸壓技術段的巷道,兩幫移近量第10天為220mm,25天后為930mm。而未采用卸壓技術段,第1天的兩幫移近量達到750mm,第11天則達到2500mm,是采用卸壓技術段總移近量的2.5倍多。

3 結語

鉆孔卸壓方案的實施使5218工作面回風巷圍巖變形得到了有效控制,一次成巷保證了回采期間通風斷面尺寸,降低了工人勞動強度,提高了勞動效率,減少或杜絕了巷道翻修,節約總體巷道工作量投入和采掘接替時間,保證了工作面快速安全的生產,為全煤巷及硐室圍巖的支護與控制提供了新的、有效的支護技術和方法,為王莊礦帶來了巨大的經濟效益和社會效益。

(責任編輯 張毅玲)

Application of technique of pressure relief by drills in coal drift

Xing Ningjiang
(Wangzhuang Coal Mine of Luan Group Company,Changzhi,Shanxi 046031,China)

The return airway of coalmining face is often distorted seriously due to its big section and the high kinetic pressure against it and is difficult to be supported,and as a result,the area of the section turns out to be not sufficient of the ventilation and transportation formining face.Wangzhuang Coal Mine controls the surrounding rock deformation in#5218 working face return airway by applying the technique of pressure relief by drills.

coal drift excavation,kinetic pressure tunnel,surrounding rock controlling,pressure relief by drills

TD327

B

星寧江(1975-),男,山西省潞城人,1998年畢業于東北大學安全工程專業,工程師,現在潞安集團王莊煤礦生產中心從事煤礦生產技術管理工作。