采空側(cè)巷道圍巖應(yīng)力分析與控制技術(shù)研究

王文杰

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046100)

0 引 言

煤炭是我國(guó)能源的主要構(gòu)成部分，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的能源保障，但大規(guī)模高強(qiáng)度的煤炭開采活動(dòng)造成淺部煤炭資源日益枯竭，煤炭開采轉(zhuǎn)向深部發(fā)展[1]。深部地質(zhì)條件復(fù)雜，高應(yīng)力環(huán)境造成巷道大變形、頻繁返修等問(wèn)題，制約井下生產(chǎn)活動(dòng)的順利開展。 煤礦巷道圍巖大變形主要與巷道深度、采掘活動(dòng)及本身強(qiáng)度有關(guān)，高巖體自重應(yīng)力、應(yīng)力場(chǎng)疊加和低圍巖強(qiáng)度更容易使巷道產(chǎn)生劇烈變形[2]。

煤礦工作面頂板結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變是圍巖變形破壞重要影響因素，一直以來(lái)是學(xué)者們研究的重點(diǎn)之一，并由此誕生了一系列經(jīng)典的理論假說(shuō)來(lái)解釋其內(nèi)在機(jī)理，如鉸接巖塊理論、壓力拱理論、關(guān)鍵層理論、砌體梁理論、傳遞巖梁理論、圍巖松動(dòng)圈理論、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論等[3-8]。煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展從最初的通過(guò)支護(hù)體完全承擔(dān)壓力逐漸到通過(guò)支護(hù)體和圍巖共同承擔(dān)壓力，體現(xiàn)了人們對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用。在巷道圍巖控制技術(shù)方面，目前主要包括棚式支護(hù)、注漿加固、錨桿支護(hù)、聯(lián)合支護(hù)以及頂板深孔爆破技術(shù)等[9-10]。

常村煤礦是設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力700萬(wàn)t/a的國(guó)有特大型煤礦，工作面及巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，特別是隨著開采深度的增加，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，巷道圍巖變形增大，僅靠提高錨桿錨索密度的支護(hù)方式已經(jīng)不能滿足實(shí)際工作需求，迫切需要一種新的科學(xué)有效的方法解決這一難題。通過(guò)巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試、數(shù)值模擬優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施監(jiān)測(cè)研究S6-1皮順頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)、煤柱應(yīng)力分布與巷道變形破壞規(guī)律，優(yōu)化深部采空側(cè)大變形巷道圍巖控制技術(shù)，對(duì)解決常村煤礦S6-1皮順支護(hù)難題提供具體的工程方案，進(jìn)而創(chuàng)造良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)為其他類似條件深部采空側(cè)大變形巷道圍巖控制提供有益借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

常村煤礦3#煤層位于山西組的中下部，平均厚度為6.05 m，含一層夾矸(炭質(zhì)泥巖)。如圖1所示，老頂為3.30 m灰色細(xì)粒砂巖，直接頂為0.87 m黑灰色泥巖、0.80 m淺灰色細(xì)粒砂巖與1.30 m黑灰色泥巖，直接底為1.11 m的黑色泥巖，基本底為4.24 m灰色細(xì)粒砂巖。S6-1工作面采空側(cè)S6-1皮順是本次研究對(duì)象，該巷道與S6-2工作面之間的護(hù)巷煤柱寬度為50 m。

圖1 S6-1工作面綜合柱狀圖

S6-1皮順沿3#煤層底板布置，巷道為矩形斷面(寬5.4 m，高3.0 m)。頂板采用“預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿+雙鋼筋托梁+錨索+金屬經(jīng)緯網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方式。頂板每排布置6根Φ22×2 400 mm讓壓錨桿和2根Φ22×6 300 mm錨索，兩幫每排布置4根Φ22×2 400 mm讓壓錨桿，如圖2所示。

圖2 S6-1皮順支護(hù)方案

2 試驗(yàn)巷道圍巖應(yīng)力變形分布特征

取3#煤層、頂?shù)装宓拿骸⒛鄮r、中粒砂巖和細(xì)粒砂巖試樣進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)。 煤、巖樣單軸壓縮實(shí)驗(yàn)分別加工成50 mm×50 mm×100 mm長(zhǎng)方體、Φ50 mm×100 mm圓柱體，單軸拉伸試驗(yàn)分別加工成50 mm×50 mm×25 mm長(zhǎng)方體、Φ50 mm×25 mm圓柱體，變角剪切試驗(yàn)分別加工成50 mm×50 mm×50 mm長(zhǎng)方體、Φ50 mm×50 mm圓柱體。加載速度為0.3 mm/min，變角剪切試驗(yàn)對(duì)應(yīng)角度45°、55°、65°。部分試驗(yàn)如圖3和圖4所示。

巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)是巷道破壞的重要影響因素，包括巖層完整性、巖層結(jié)構(gòu)、巖性成分、裂隙分布等。獲得S6-1皮順煤及頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)和變形破壞特征，為后續(xù)數(shù)值模擬研究采空側(cè)巷道應(yīng)力分布和支切頂卸壓護(hù)方案參數(shù)設(shè)計(jì)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。煤巖樣強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表1。

圖3 巖樣物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)

圖4 煤樣物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)

表1 煤巖樣強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)所研究巷道的地質(zhì)條件和工程情況，UDEC模型取走向×高度=580 m×61.2 m，煤層和頂?shù)装鍘r層共16層，考慮到開采邊界的影響，煤層兩側(cè)各設(shè)30 m的邊界保護(hù)煤柱。模型四周約束水平方向位移，底部約束垂直方向位移，上部施加等效于上覆巖層及表土層重量的均布載荷9 MPa，模型采用莫爾-庫(kù)倫模型。先開挖S6-2工作面，再開挖S6-1皮順。煤柱側(cè)向支承應(yīng)力分布曲線和巷道頂板變形曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5 煤柱側(cè)向支承應(yīng)力分布曲線

圖6 巷道頂板變形曲線

巷道圍巖側(cè)向支承應(yīng)力峰值為25.87 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.64，應(yīng)力分布曲線呈梯形，煤柱中垂直應(yīng)力峰值距離采空側(cè)8 m。巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?38.8 mm，最大變形靠近巷道中間位置。

3 采空側(cè)巷道切頂卸壓方案設(shè)計(jì)

3.1 不同切頂高度對(duì)巷道圍巖應(yīng)力變形規(guī)律的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，3#煤層上方有細(xì)粒砂巖1、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖2、細(xì)粒砂巖3共四層堅(jiān)硬巖層，對(duì)應(yīng)切頂高度分別為26.1 m、33.6 m、44.0 m和61.0 m。 通過(guò)UDEC模擬垂直于頂板方向切頂，以研究不同切頂高度對(duì)采空側(cè)巷道圍巖應(yīng)力變形規(guī)律的影響。 不同切頂高度煤柱支承應(yīng)力曲線如圖7所示。

切頂高度為26.1 m、33.6 m、44.0 m和61.0 m時(shí)煤柱巷道側(cè)支承應(yīng)力峰值分別為16.53 MPa、15.00 MPa、14.58 MPa和14.70 MPa，分別占切頂前95.21%、86.40%、83.98%和84.67%。 煤柱峰值應(yīng)力位于采空側(cè)6 m左右位置，分別為28.5 MPa、24.8 MPa、23.1 MPa、25.0 MPa，分別占切頂前105.60%、91.85%、85.55%、92.59%。切頂高度為44.0 m時(shí)， 煤柱巷道側(cè)和采空側(cè)峰值應(yīng)力均最小，增加了巷道圍巖的穩(wěn)定性。數(shù)值模擬結(jié)果顯示， 切頂高度為61.0 m時(shí)頂板變形量最小，為109 mm，稍小于切頂高度為61.0 m時(shí)，頂板變形量為114 mm。考慮到切頂高度為44.0 m和61.0 m時(shí)頂板變形量，切頂高度為44.0 m時(shí)應(yīng)力分布和工程施工均占優(yōu)勢(shì)，故認(rèn)為切頂高度為44.0 m時(shí)卸壓效果最好。

3.2 不同切頂角度對(duì)巷道圍巖應(yīng)力變形規(guī)律的影響

在煤礦現(xiàn)場(chǎng)，垂直切頂工程難度較大，故需要進(jìn)一步探索切頂角度對(duì)切頂卸壓效果的影響。 3.1部分結(jié)果表明最優(yōu)切頂高度為44.0 m， 即煤層上方第二層細(xì)粒砂巖，本節(jié)研究切頂方向與豎直方向呈10°、20°、30°、40°夾角時(shí)采空側(cè)巷道圍巖應(yīng)力變形規(guī)律的影響，煤柱應(yīng)力變化曲線如圖8所示。

圖8 不同切頂角度下煤柱應(yīng)力曲線

圖9 S6-1工作面開挖后應(yīng)力分布云圖

切頂角的改變引起頂板巖層破斷位置和煤柱支承應(yīng)力分布改變，峰值應(yīng)力在距離采空側(cè)10～13 m位置變化。切頂角度為10°、20°、30°、40°時(shí)應(yīng)力峰值分別為24.26 MPa、24.03 MPa、23.26 MPa、24.42 MPa，占切頂板前的92.4%、91.5%、88.6%、93.0%。切頂角度為30°時(shí)，煤柱中的支承應(yīng)力峰值最小，同時(shí)煤柱巷道側(cè)峰值也是四種角度中最小，為14.98 MPa，煤柱整體受力最小。不同切頂角度巷道寬度范圍內(nèi)頂板下沉量結(jié)果表明，切頂角度為30°時(shí)巷道頂板下沉量最小，為200 mm。故認(rèn)為，切頂高度為44.0 m、切頂角度為30°時(shí)，切頂卸壓的效果最好。

采取最優(yōu)切頂措施后對(duì)S6-1工作面進(jìn)行回采，回采結(jié)束后應(yīng)力分布云圖及煤柱應(yīng)力曲線如圖9和圖10所示。

煤柱左側(cè)距離巷道8 m處和右側(cè)距離采空區(qū)6 m處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力峰值分別為31.99 MPa和33.7 MPa，應(yīng)力分布規(guī)律符合馬鞍形分布規(guī)律，巷道側(cè)應(yīng)力較采空區(qū)側(cè)偏低。 切頂卸壓后，煤柱巷道側(cè)支承應(yīng)力峰值向煤柱內(nèi)部轉(zhuǎn)移，煤柱中間部分應(yīng)力主要集中在20～26 MPa之間，達(dá)到了切頂卸壓的效果。

圖10 S6-1工作面開挖后煤柱應(yīng)力曲線

圖11 頂板深孔爆破切頂卸壓布置圖

4 切頂卸壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

由深孔爆破原理可知，爆破深度需達(dá)到堅(jiān)硬頂板巖層厚度的一半以上。由前文可知，炮孔深度至少25.4 m。為保證爆破效果，炮孔深度取30 m。S6-1工作面頂板深孔爆破切頂卸壓設(shè)計(jì)方案與技術(shù)參數(shù)如下所述。

在皮順沿采空區(qū)煤柱與實(shí)體煤方向間隔6 m打深鉆孔，孔深30 m，裝藥12 m，封孔深度18 m，鉆孔傾角60°，鉆孔直徑75 mm，炸藥采用煤礦許用3號(hào)乳化炸藥，藥卷直徑60 mm，每孔裝藥卷數(shù)為24個(gè)，封泥長(zhǎng)度18 m。每孔均勻布置2個(gè)同段毫秒延期電雷管，孔內(nèi)并聯(lián)連線。一次起爆1個(gè)炮孔。鉆孔每排布置兩個(gè)，布置示意圖如圖11所示。

與此同時(shí)，試驗(yàn)段矩形巷道靠近煤柱處受變形破壞情況嚴(yán)重，需要進(jìn)行巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。頂板每排增加3根Φ22 mm×6 300 mm錨索，垂直于頂板布置。為驗(yàn)證切頂卸壓和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的效果，需要進(jìn)一步煤柱上的應(yīng)力分布和巷道變形隨隨著工作面的推進(jìn)的變化規(guī)律。在試驗(yàn)巷道內(nèi)布置7個(gè)測(cè)站，初始測(cè)站距離工作面開切眼175 m，測(cè)站間距25 m，測(cè)站布置如圖12所示。

根據(jù)各測(cè)站內(nèi)“十字測(cè)量法”所得數(shù)據(jù)，工作面回采期間巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平咳鐖D13所示。

圖12 各測(cè)站測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖13 巷道表面位移

圖14 巷道頂板離層

測(cè)站1～測(cè)站7頂?shù)装逡平糠謩e為471 mm、409 mm、377 mm、335 mm、362 mm、382 mm和432 mm，兩幫移近量分別為445 mm、402 mm、373 mm、353 mm、387 mm、396 mm和416 mm，切頂卸壓補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)段巷道(測(cè)站3～測(cè)站5)頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量均明顯小于未卸壓段。采用切頂卸壓補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)能夠有效減小巷道圍巖變形，基本滿足工作面生產(chǎn)要求。 根據(jù)各測(cè)站內(nèi)“DZY-8m型頂板離層指示儀”所得數(shù)據(jù)，回采期間巷道頂?shù)纂x層情況如圖14所示。

測(cè)站1～測(cè)站7錨索支護(hù)范圍內(nèi)離層值分別為152 mm、138 mm、134 mm、129 mm、132 mm、136 mm和140 mm，錨桿支護(hù)范圍內(nèi)離層值分別為122 mm、109 mm、105 mm、94 mm、100 mm、102 mm和110 mm，切頂卸壓補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)段巷道(測(cè)站3～測(cè)站5)頂板離層現(xiàn)象明顯小于未加固段，頂板離層值在安全可控的范圍內(nèi)，能夠保證工作面的安全生產(chǎn)。根據(jù)各測(cè)站內(nèi)“YAD-200型錨索載荷監(jiān)測(cè)儀”所測(cè)數(shù)據(jù)，回采期間錨索受力變化曲線如圖15所示。

圖15 錨索受力曲線

工作面距離測(cè)站60～-100 m距離時(shí)，錨索受力緩慢增加，支護(hù)方式能夠有效控制巷道圍巖初期變形，增加的工作阻力能夠有效擴(kuò)散到圍巖中，有利于保護(hù)切頂卸壓范圍內(nèi)圍巖的完整性；切頂卸壓補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)段巷道(測(cè)站3～測(cè)站5)錨索受力平均為283 kN，與切頂卸壓加固區(qū)外錨索平均受力317 kN相比，減小了10.7%。

5 結(jié) 論

1) 巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)是巷道破壞的重要影響因素，通過(guò)對(duì)常村煤礦3#煤層和頂?shù)装宓拿骸⒛鄮r、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室物理力學(xué)測(cè)試得到了基本物理力學(xué)參數(shù)，再賦值到UDEC模型中模擬得到采空側(cè)煤柱側(cè)向支承應(yīng)力呈現(xiàn)梯形分布，支承應(yīng)力峰值為25.87 MPa，頂?shù)装遄畲笠平繛?38.8 mm。

2) S6-1皮帶順槽煤柱峰值支承應(yīng)力隨切頂高度增加先減小后增加，切頂高度為44.0 m時(shí)峰值支承應(yīng)力最小，比未切頂前減小14.45%，巷道頂板變形量為114 mm，比未切頂前減小66.3%，故確定最優(yōu)切頂高度為44.0 m。

3) S6-1皮帶順槽煤柱峰值支承應(yīng)力隨切頂角度增加先減小后增加，切頂角度為30°時(shí)峰值支承應(yīng)力最小，比未切頂前減小11.4%，巷道頂板變形量為200 mm，比未切頂時(shí)減小41.0%，綜合考慮到施工難度等問(wèn)題確定最優(yōu)切頂角度為30°。

4) 頂卸壓補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)試驗(yàn)巷道礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，切頂卸壓區(qū)內(nèi)頂?shù)装逡平繙p少了20.6%，兩幫移近量減少了13.7%，錨索支護(hù)范圍內(nèi)離層減少了9.5%，錨桿支護(hù)范圍內(nèi)離層減少了14.0%，錨索受力減小了10.7%，切頂卸壓補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案效果顯著。