煤巷群受動壓擾動范圍分析及護巷技術應用

司廣宏,王 剛,李 鋼,王 洋

(1.潞安化工集團 余吾煤業公司，山西 長治 046100;2.山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274918)

采煤工作面回采期間,會在采場周邊(前方、后方、側方)形成一定范圍的動態變化的支承壓力,處于支承壓力區內的巷道受到擾動會發生不同程度的變形破壞,即通常所說的“動壓擾動”影響[1]。相關研究表明[2-8],根據現場開采條件的不同,超前支承壓力的擾動范圍從數十米至數百米不等。采區大巷布置于煤層中,優點是可以提升巷道掘進效率,快速形成生產系統,使礦井盡早投產獲得經濟效益；缺點也很明顯,就是布置于煤層中的巷道后期很容易受到兩翼采煤工作面動壓擾動影響,維護工作量大,安全性差[9]。以余吾煤業北風井東西翼采區為例[10-11],每當有工作面回采結束,周邊大巷及邊角區域就會產生不同程度的礦壓顯現,巷道頂板破碎下沉形成墜包、錨桿(索)受力崩斷,如果不及時維護很容易發生頂板事故;巷道底鼓、幫鼓也影響了人員及物料運輸,阻礙了礦井正常生產。為了避免或者減輕動壓擾動給周邊巷道帶來的影響,需設計合理的停采線距離,并預判影響區域,及時對巷道采取加強支護措施,力求對采區大巷造成的影響降到最低。

1 采區概況

余吾煤業北部井田以北風井為界,劃分為東翼、西翼兩個采區,在采區中部沿東西方向布置有5條集中大巷。所有的大巷均布置于3#煤層中,形成煤層巷道群,煤柱寬度為30 m。在采區的兩翼布置采煤工作面進行回采作業。以開采強度最大的西翼采區為典型區域,工作面及巷道布置情況(局部)如圖1所示。

圖1 西翼采區工作面及巷道布置(局部)

北風井西翼采區已回采結束8個采煤工作面,北風井東翼采區已回采結束5個采煤工作面,已完成回采任務的工作面及停采線與大巷距離情況統計如表1所示。

表1 工作面概況統計

2 影響范圍分析

2.1 現場案例分析

按回采時間先后選取N1102、N1202、N1206、N2103等4個典型工作面,對大巷造成的破壞范圍進行匯總分析。

1)N1102工作面于2014年回采結束,停采線距離西翼1#回風大巷位置最近70 m,最遠122 m。現場巷道礦壓顯現情況:正對的5條大巷均受到動壓影響,其中靠近工作面的西翼1#回風大巷、西翼輔運大巷、西翼膠帶大巷變形最為嚴重,均進行了挑頂作業;西翼進風大巷進行了局部刷幫、挑頂;最遠的西翼2#回風大巷受影響最輕,僅在邊角區域有局部底鼓現象。以停采線兩側邊緣點為圓心畫半圓,將受影響巷道區域覆蓋在內,得出邊角動壓擾動半徑為230～289 m；同理以停采線中心點為圓心畫半圓可得出中心動壓擾動半徑為306 m,影響范圍平面圖如圖2所示。

圖2 N1102工作面動壓擾動范圍

2)N1202工作面于2015年回采結束,停采線距離西翼2#回風大巷位置最近173 m,最遠240 m。擾動區礦壓顯現情況:工作面對應區域西翼2#回風大巷發生底鼓及頂板下沉;N1202高抽巷口至N1202回順輔運巷口巷段頂板下沉嚴重,破碎漏煤;西翼進風大巷局部區域錨索崩斷(已提前采取加固措施);西翼膠帶大巷頂板下沉較嚴重,局部區域形成墜包漏煤;處于工作面邊角區的西翼采區水泵房全斷面來壓收斂,頂板及幫部噴漿皮掉落,局部錨桿崩斷。根據巷道破壞范圍,得出N1202工作面邊角動壓擾動半徑為233～274 m,中心動壓擾動半徑為290 m,影響范圍如圖3所示。

圖3 N1202工作面動壓擾動范圍

3)N1206工作面于2020年回采結束,停采線距離西翼2#回風大巷位置最近151 m,最遠196 m,工作面末采階段進行了水力切頂卸壓試驗?，F場礦壓顯現情況:工作面對應的西翼2#回風大巷發生嚴重底鼓,1#巷口往東至均壓巷口范圍巷道幫鼓;均壓巷口頂板發生嚴重下沉,1#、2#瓦斯管道井收斂擠壓瓦斯管;北風井措施巷工字鋼棚來壓輕微變形;膠帶大巷均壓巷風橋處幫鼓擠壓皮帶,頂板下沉形成墜包?？傻贸鯪1206工作面邊角動壓擾動半徑為166～215 m,中心動壓擾動半徑為257 m,影響范圍如圖4所示。

圖4 N1206工作面動壓擾動范圍

4)N2103工作面于2020年回采結束,停采線距離東翼1#回風大巷位置最近158 m,最遠202 m?，F場礦壓顯現情況:工作面正對區域的東翼膠帶大巷機頭段錨桿(索)崩斷較多,檢修斜巷口頂板下沉嚴重,檢修斜巷內頂板及幫部噴漿皮開裂;N2103膠順輔運巷口往東80 m范圍幫鼓,東翼進風大巷底鼓;工作面邊角區東翼膠帶輔運1#巷輕微底鼓,東翼瓦斯泵站口巷道幫鼓;東翼1#回風大巷邊角對應巷段頂板下沉嚴重。圈定N2103工作面邊角動壓擾動半徑為167～300 m,中心動壓擾動半徑為306 m,影響范圍如圖5所示。

圖5 N2103工作面動壓擾動范圍

綜合以上4個典型工作面對大巷造成的擾動情況,可得出以下結論。

1)采煤工作面對大巷的動壓擾動不僅僅局限于工作面前方正對的巷道范圍,還包括采空區邊角(側前方)對應區域,此區域受工作面超前與側向支承應力疊加,在現場生產中很容易被忽視,不提前采取加固措施或者加固范圍不足可能對巷道造成破壞。

2)綜采工作面對煤層大巷群的動壓擾動范圍,以停采線為參照,中心擾動半徑為257～306 m,平均約280 m;邊角擾動半徑為166～300 m,平均233 m。

3)采空區邊角處兩側為實體煤更有利于超前支承應力傳遞,相鄰兩個采煤工作面停采線錯位過大形成的邊角區也有利于超前支承應力傳遞,可能對臨近大巷造成不利影響。例如：N2103工作面,西南角邊角兩側為實體煤,擾動范圍300 m,東南角邊角處一側臨近N2105采空區(停采線近似平行),擾動范圍僅167 m;N1206工作面,西北角臨近N1205采空區(停采線平行),擾動范圍166 m;東北角為N2201采空區(停采線錯位),擾動范圍215 m;N1202工作面,西北角臨近N1201采空區(停采線近似平行),擾動范圍233 m;東北角為N1203采空區(停采線錯位),擾動范圍274 m;N1102工作面,西南角、東南角兩側均為實體煤,擾動范圍分別為289 m及230 m。

4)由結論1)～3)可知，如果停采線距離大巷過近,會使得處于工作面包夾范圍內的煤層巷道群受到多次回采動壓影響,即大部分區域不僅要受到兩側工作面正對的中心動壓擾動影響,還可能受到臨近工作面邊角動壓擾動影響,多次動壓擾動是導致煤層巷道群難以維護的直接原因。

5)采用水力切頂方案的N2106工作面對大巷的擾動范圍減小,可見水力切頂卸壓手段可有效減小采煤工作面動壓擾動范圍,減小巷修工程量,對保護大巷有利。

2.2 微震監測分析

2021年，余吾煤業安裝了波蘭進口的ARAMIS M/E微震監測系統,此系統可以實時監測工作面周邊圍巖活動情況,記錄微震事件發生的時間、位置及能量大小,可用于分析采動應力對工作面周邊圍巖造成的影響范圍。分別選取2021年6月N1105、N2203兩個工作面的微震數據,生成剖面圖，如圖6、圖7所示。

圖6 N1105工作面微震事件分布

圖7 N2203工作面微震事件分布

通過對N1105、N2203工作面微震事件發生區域進行分析，可以得出：N1105工作面微震事件大部分發生在水平方向滯后工作面226 m、超前工作面255 m范圍內,垂直方向大部分事件發生煤層往上80 m、底板往下30 m范圍內;N2203工作面微震事件大部分分布在水平方向滯后工作面230 m、超前工作面315 m范圍內,垂直方向大部分事件發生在煤層往上100 m、底板往下40 m范圍內。可以看出,監測到的微震活動區域超前工作面255～315 m,與現場動壓對大巷造成的中心擾動半徑257～306 m相差不大,二者很好地進行了相互驗證。

3 護巷方案

綜合現場經驗及微震監測情況,確定采煤工作面停采線與大巷的安全距離至少為255 m,最優在300 m以上。停采線距離大巷過遠會對煤炭資源造成極大浪費,停采線過近又會對巷道穩定造成重大影響,所以實際工作中需綜合進行權衡。余吾煤業通過近些年經驗總結,形成了“主動加固+主動卸壓”相結合的護巷方案,在減少停采線距離的情況下保障大巷穩定。具體方案如下。

3.1 主動加固

在工作面進入末采階段前,根據現場經驗提前預判工作面對大巷的動壓擾動范圍,及時對影響范圍內的巷道及硐室采取加固措施。目前余吾煤業主要采用3種主動加固方式,具體如下:

1)采用錨網索配合雙鋼筋梯子粱對巷道頂、幫進行加強支護。常用支護參數:加固錨索采用直徑為22 mm高強度低松弛預應力鋼絞線,其中頂錨索長度8 300 mm,3-3-3布置,幫錨索長度5 300 mm,2-2-2布置,頂、幫錨索同斷面布置,間距均為1 200 mm,排距均為800 mm;頂、幫錨索均采用3支K2350低黏度快速樹脂錨固藥卷錨固,錨固長度為1 500 mm;配套采用300 mm×300 mm×16 mm的高強度蝶形托盤、可調心球墊及鎖具;預緊力為250 kN,初次漲拉超漲拉至300 kN,錨固力為600 kN。配套采用Φ16 mm圓鋼制作的雙鋼筋梯子梁進行加固,支護平剖面如圖8所示。

圖8 典型錨網索加固平剖面示意

2)在大跨度巷道交叉點采用11#礦用工字鋼粱配合直徑22 mm、長度為8.3 m的高強錨索對頂板進行加固,形成無腿棚式支護。每處交叉點巷道口打設一對無腿棚,棚間距0.5 m,每根工字鋼梁打設3對總計6根錨索,使用配套高強鎖具。支護示意如圖9所示。

圖9 巷道交叉點無腿棚式支護示意

3)在部分特殊巷段及硐室區域使用型號為DW42-250/110X的單體液壓支柱配合π型鋼粱形成“一粱三柱”形式對頂板加強支護,單體柱墊鞋板,棚距一般為0.8 m±0.1 m,可根據現場錨桿支護排距進行調整,π型鋼梁長度也可根據現場巷道斷面寬度進行調整。支護示意如圖10所示。

圖10 單體柱棚支護平剖面示意

3.2 主動卸壓

在工作面末采期或者收尾結束，支架未回撤前,對相鄰巷道或者工作面頂板采取高壓水力切頂卸壓措施,減小工作面上方采空區懸臂梁長度,減弱堅硬頂板的應力傳遞,從而減小對大巷群的擾動影響[12-14]。

3.2.1典型施工參數

1)末采期相鄰巷道水力切頂卸壓。以N1206工作面為例,利用N1206膠順輔運巷與工作面切眼平行的優勢,可在工作面末采期提前對巷道頂板進行切頂卸壓。鉆孔平面布置如圖11所示,剖面如圖12所示。

圖11 N1206工作面水力切頂孔平面布置示意

圖12 N1206工作面水力切頂孔剖面示意

a.鉆孔布置參數:面朝工作面煤墻,距離工作面煤墻頂角往外0.5 m處施工切頂鉆孔,在N1206膠順輔運巷布置21個,N1206膠帶順槽布置7個,孔間距10 m,深度42 m。其中，N1206膠順輔運巷鉆孔仰角45°(圖12(a)),N1206膠帶順槽鉆孔仰角55°(圖12(b))。

b.利用KZ54型切槽鉆頭對鉆孔底部堅硬巖層進行橫向切槽,安裝壓裂桿,頭部采用跨式膨脹型封孔器對切槽區域進行封孔。

c.配套使用3ZSB80/62-90型高壓柱塞泵進行倒退式壓裂,每壓裂1次后退3 m,前3次壓裂保壓時間30 min,之后保壓20 min,壓裂至孔口往上13 m處結束,繼續下一循環。

2)收尾期工作面水力切頂卸壓。以N2103工作面為例,工作面回采結束,支架未回撤前在切眼頂板打設切頂孔進行高壓水力壓裂施工,鉆孔平剖面布置如圖13所示。

圖13 N2103工作面水力切頂孔平剖面示意

鉆孔施工參數:工作面切眼長度320 m,鉆孔間距10.5 m(每6組架壓裂一次),高抽巷口處10 m范圍內不壓裂,總共布置30個水力壓裂鉆孔。鉆孔間距10.5 m,從排頭1#架開始,采用Φ56 mm鉆頭,利用ZLJ250地質鉆機進行鉆進,鉆孔深度40 m,仰角75°,與煤墻夾角20°。其他鉆孔切槽、封孔及壓裂施工標準參考工作面末采期相鄰巷道水力切頂卸壓。

3.2.2效果分析

為評估N1206工作面水力壓裂切頂卸壓效果,分別在工作面對應的3條巷道(N1206膠順輔運巷、西翼2#回風大巷、西翼進風大巷)各布置10組表面位移測站,從工作面開始收尾到支架回撤完畢,匯總巷道變形數據見表2所示。

由表2可以看出,N1206工作面相鄰巷道采取水力切頂卸壓措施后,10個月內巷道兩幫累計位移量在565～758 mm之間,頂底板累計位移量在518～679 mm之間。而根據以往經驗,比如N1202、N1102工作面僅采取提前加固措施未采取水力切頂卸壓措施,對應大巷頂底板變形量一般在1～1.2 m左右,兩幫變形量在1.2～1.4 m左右?？梢姴扇∷η许敶胧┛娠@著減小巷道變形量。

表2 巷道變形數據統計

余吾煤業2020年分別對N1206、N2103兩個工作面開展了水力切頂試驗,取得了預期效果。其中N2106工作面距離大巷最近為151 m,N2103工作面距離大巷最近為158 m。根據試驗結果得出,通過采取主動加固、主動卸壓兩種護巷方案,可使停采線距離大巷最小安全距離達到150 m,現場修巷工程量大大減少,保障了巷道穩定,提升了煤炭資源回收率。

4 結論

通過對余吾煤業北風井東西翼采區大巷受采動影響范圍進行分析,結合微震活動規律,對采煤工作面停采線與大巷的安全距離進行了探討?，F場開展了水力切頂護巷試驗,最終得出以下結論。

1)以工作面停采線中心及兩側邊緣點為圓心畫半圓,將煤巷群受動壓擾動的范圍進行覆蓋,提出中心動壓擾動半徑及邊角動壓擾動半徑的概念。選取4個典型采煤工作面進行經驗對比總結,得出采煤工作面對煤巷群的中心動壓擾動半徑最小為257 m,最大為306 m,邊角動壓擾動半徑最小為166 m,最大為300 m。

2)工作面停采線距離大巷過近,會使煤巷群受動壓擾動次數及范圍增加,加劇巷道的破壞程度,對安全生產不利。采區煤層大巷群加固范圍的確定,不僅要考慮工作面正前方動壓擾動影響,還需充分考慮采空區邊角處的動壓擾動影響。停采線邊角處兩側為實體煤或者相鄰工作面停采線錯位過大,需考慮適當加大邊角處的巷道加固范圍;反之則適當減小巷道加固范圍。

3)采煤工作面停采線與大巷安全距離的確定,在不采取任何加固措施的情況下,要保證煤層大巷群不受擾動或少受擾動,停采線與煤層大巷的安全距離最小不應少于255 m,最優需大于300 m。

4)工作面末采期采用水力切頂卸壓措施可使大巷受動壓擾動范圍及變形量減小,間接減少巷修工程量。采用“主動加固+主動卸壓”兩種方式相結合的護巷方案,經過現場實踐,可使工作面停采線與大巷安全距離減少至150 m,提升了煤炭資源回收率,同時也保障了大巷的安全穩定。