厚煤層沿空掘巷水力切頂圍巖控制技術(shù)實(shí)踐

牟文輝,強(qiáng) 丁

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

厚煤層堅(jiān)硬頂板條件下的沿空掘巷巷道圍巖大變形[1],一直是煤炭生產(chǎn)企業(yè)與國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題,其主要原因是煤柱寬度不合理、支護(hù)強(qiáng)度不足[2]、側(cè)向懸頂較長(zhǎng)[3]、懸頂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)壓擾動(dòng)等[4]。針對(duì)側(cè)向懸頂過(guò)長(zhǎng)、難冒落這一誘因,國(guó)內(nèi)外綜采工作面常用預(yù)裂爆破[5]和水壓致裂[6]2種主動(dòng)干預(yù)手段。相對(duì)于預(yù)裂爆破技術(shù)而言,水壓致裂切頂卸壓具有切頂深度高、范圍大、操作方便、安全性好等[7]顯著優(yōu)勢(shì),已在我國(guó)不同礦區(qū)綜采工作面展開(kāi)試驗(yàn)和推廣并取得顯著成效。國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)切頂卸壓機(jī)理[8]、沿空掘巷圍巖控制[9]、沖擊地壓防治[10]及裂縫擴(kuò)展規(guī)律等[11]方面展開(kāi)相關(guān)研究并用于現(xiàn)場(chǎng)施工指導(dǎo)。康紅普等[12]結(jié)合斷裂力學(xué)理論,分析了煤巖層水壓致裂裂縫的擴(kuò)展機(jī)理及主要影響因素,為煤礦井下安全回采及高應(yīng)力巷道圍巖控制提供理論和實(shí)踐依據(jù)。許磊等[13]綜合分析了近位關(guān)鍵層切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)對(duì)沿空掘巷圍巖變形的影響規(guī)律并確定了合理保護(hù)煤柱寬度及切頂參數(shù)。牛同會(huì)[14]在分析了堅(jiān)硬頂板懸頂對(duì)礦壓規(guī)律顯現(xiàn)特征基礎(chǔ)上,提出了分段水壓致裂技術(shù),并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。黃炳香等[15]利用真三軸試驗(yàn)系統(tǒng),揭示了應(yīng)力差、裂隙等對(duì)水壓裂縫的擴(kuò)展影響機(jī)理,將堅(jiān)硬頂板水壓致裂成套技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

以上研究為堅(jiān)硬頂板的人為干預(yù)控制提供了理論及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐依據(jù),然而煤礦井下巷道圍巖受采掘擾動(dòng)及地應(yīng)力的疊加影響,其變形機(jī)理難以量化表征且水壓致裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理還未完全明確,針對(duì)具體地質(zhì)情況還需進(jìn)一步研究。為此,以黃陵二號(hào)煤礦422回風(fēng)巷留設(shè)10 m煤柱沿空掘巷為工程背景,分析了厚煤層堅(jiān)硬頂板下沿空掘巷切頂卸壓控制機(jī)理,確定422回風(fēng)巷水壓致裂切頂卸壓方案,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證。

1 工程概況

黃陵二號(hào)煤礦隸屬于陜西陜煤黃陵礦業(yè)公司,位于陜西省黃陵縣雙龍鎮(zhèn),核定年生產(chǎn)能力可達(dá)800萬(wàn)t/a,設(shè)計(jì)服務(wù)年限70 a。422工作面回風(fēng)巷沿2號(hào)煤層頂板掘進(jìn)與420工作面采空區(qū)之間留設(shè)10 m煤柱,總長(zhǎng)度2 441.5 m,巷道平均埋深410 m。巷道位置及四鄰關(guān)系如圖1所示。

圖1 422 工作面布置

2號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,厚度變化較穩(wěn)定(5.0～5.4 m),煤層平均厚度5.2 m,煤層近水平發(fā)育,一般傾角為0°～2°,平均0.5°。2號(hào)煤層直接頂粉砂巖厚度為17～19 m,基本頂細(xì)砂巖厚度為7～9 m,基本底細(xì)砂巖厚度為9～10 m,煤巖層綜合柱狀見(jiàn)表1。

表1 煤巖層綜合柱狀表

422回風(fēng)巷掘進(jìn)斷面為矩形4.8 m×3.8 m(寬×高),掘進(jìn)斷面18.24 m2,采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù),巷道斷面原支護(hù)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 巷道斷面原支護(hù)設(shè)計(jì)

頂錨索使用φ21.8 mm×7 300 mm十九芯防腐錨索,間排距1 300 mm×2 000 mm,3-0-3布置,配套使用T140鋼帶及T140-140 mm×150 mm鋼墊片,頂角錨索與頂板呈75°,每根錨索使用1卷MSK2850和3卷MSZ2850錨固劑,T140鋼帶長(zhǎng)度為4 100 mm。

頂錨桿采用φ22 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿,間排距800 mm×1 000 mm,配合鋼筋梯子梁及鋼托盤(pán)使用,每根錨桿使用1卷MSK2335和2卷MSZ2360錨固劑,鋼筋梯子梁由φ16圓鋼加工,長(zhǎng)度4 200 mm。

回采幫錨桿采用φ22 mm×2 800 mm高強(qiáng)度樹(shù)脂錨桿,間排距1 000 mm×1 000 mm,配套使用規(guī)格為400 mm×200 mm×50 mm的木托盤(pán)。煤柱側(cè)幫部采用φ22 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿,間排距800 mm×1 000 mm,配合T100鋼帶及墊片支護(hù),墊片規(guī)格為80 mm×80 mm×10 mm的鋼托盤(pán)。T100長(zhǎng)度分別為2 600 mm/1 000 mm。每根錨桿使用1卷MSK2335和1卷MSZ2360樹(shù)脂藥卷。

頂板采用規(guī)格為1 200 mm×5 200 mm鐵絲菱形網(wǎng),回采幫采用規(guī)格為1 200 mm×3 600 mm復(fù)合網(wǎng),煤柱幫部采用規(guī)格為φ6.5 mm-1 000 mm×2 000 mm鋼筋網(wǎng)片。

2 沿空掘巷切頂卸壓圍巖控制機(jī)理

2.1 沿空掘巷大變形原因分析

工作面開(kāi)采結(jié)束后,隨著基本頂懸頂長(zhǎng)度達(dá)到其極限跨距時(shí)發(fā)生周期性破斷,采空區(qū)側(cè)向頂板在煤體上方斷裂形成A、B、C關(guān)鍵塊。一般情況下不切頂時(shí),422回風(fēng)巷沿空掘巷頂板圍巖結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 不切頂沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)

直接頂未完全垮落形成不穩(wěn)定采空區(qū)。420工作面回采厚度5.2 m,直接頂為厚度18 m且強(qiáng)度較高的粉砂巖,工作面回采結(jié)束后,低位直接頂難以充分垮落充滿采空區(qū)形成較大的自由空間,高位直接頂破斷形成的不穩(wěn)定鉸接結(jié)構(gòu)只能夠短暫承受基本頂傳遞載荷,不能在掘巷擾動(dòng)影響下保持長(zhǎng)期穩(wěn)定,此外煤柱在無(wú)穩(wěn)定矸石結(jié)構(gòu)提供的側(cè)向圍壓條件下承載能力降低,變形破壞程度加劇。

基本頂懸頂長(zhǎng)度大、回轉(zhuǎn)過(guò)程中動(dòng)載擾動(dòng)程度高。422回風(fēng)巷上方基本頂為8 m厚的堅(jiān)硬細(xì)砂巖,其完整性好,懸頂長(zhǎng)度大。根據(jù)面積分?jǐn)偡?懸頂過(guò)長(zhǎng)將進(jìn)一步導(dǎo)致傳遞給煤柱的載荷增加,在回轉(zhuǎn)下沉至觸矸前采空區(qū)矸石無(wú)法對(duì)基本頂形成有效支撐,回轉(zhuǎn)過(guò)程中形成的附加高應(yīng)力對(duì)下方巷道圍巖的破壞進(jìn)一步增強(qiáng),煤柱災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)性高。

基本頂旋轉(zhuǎn)下沉量大、周期長(zhǎng)。采空區(qū)內(nèi)的矸石未完全垮落,存在較大自由空間,基本頂回轉(zhuǎn)下沉量大、穩(wěn)定周期長(zhǎng),巷道圍巖在長(zhǎng)期附加高應(yīng)力環(huán)境下會(huì)發(fā)生蠕變變形,難以實(shí)現(xiàn)保證沿空巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

2.2 切頂卸壓圍巖控制機(jī)理分析

通過(guò)對(duì)沿空掘巷圍巖大變形原因的分析,確定切頂卸壓圍巖控制機(jī)理。一是切斷采動(dòng)應(yīng)力傳遞路徑[16]降低其對(duì)側(cè)向煤體的損傷擾動(dòng),提高沿空掘巷巷道圍巖的強(qiáng)度。二是切頂提高采空區(qū)高位直接頂?shù)目迓涑潭取⑾卷斚虿煽諈^(qū)旋轉(zhuǎn)的自由空間,并促使矸石為煤柱提供側(cè)向壓力、對(duì)高位基本頂形成有效支撐。三是切頂減小巷道上方堅(jiān)硬基本頂?shù)膫?cè)向懸頂長(zhǎng)度[17],降低基本頂旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的動(dòng)壓影響,改善巷道高應(yīng)力環(huán)境,降低圍巖的非對(duì)稱大變形。四是切頂能夠遏制基本頂較大位移的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),并消除頂板高應(yīng)力集中與煤柱大變形災(zāi)變失穩(wěn)的動(dòng)壓聯(lián)動(dòng)效應(yīng)。422回風(fēng)巷煤柱側(cè)堅(jiān)硬頂板切頂卸壓后圍巖控制效果如圖4所示。結(jié)合黃陵二號(hào)煤礦實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件,422回風(fēng)巷沿空掘巷切頂卸壓采用水壓致裂法施工。

3 水壓致裂切頂卸壓控制技術(shù)

切頂角度,切頂角度與鉆機(jī)施工技術(shù)參數(shù)、巷道斷面尺寸,頂板巖性特征等有關(guān)。切頂角度設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 切頂角度設(shè)計(jì)

切頂應(yīng)避免對(duì)煤柱造成沖擊損傷,保證煤柱能夠穩(wěn)定承載、基本頂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生滑落失穩(wěn)。因此,切頂角度β需滿足

(1)

式中,H為基本頂厚度,8.0 m;φ為基本頂關(guān)鍵塊間的摩擦角,45°;L為基本頂跨距,16.8 m;M為煤層開(kāi)采厚度,5.2 m;η為工作面采出率,厚煤層采出率為93%;kp為上覆巖層平均碎脹系數(shù),取1.5;h為直接頂能夠冒落的厚度,8.4 m。代入公式(1)即可得所需切頂角度為10°。

422回風(fēng)巷煤柱側(cè)切頂卸壓方案設(shè)計(jì)如圖6所示。切頂高度既要使冒落矸石充滿采空區(qū),又要保證基本頂能夠順利切斷,根據(jù)綜合柱狀表,確定切頂層位為基本頂細(xì)砂巖,切頂高度為24 m(基本頂高度的2/3處)。鉆孔直徑65 mm;鉆孔終孔深度由切頂角度和切頂高度確定,鉆孔深度為26 m。在420膠帶巷煤柱幫肩窩施工,鉆孔仰角80°。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),鉆孔間距為10 m。每個(gè)壓裂孔采用倒序法進(jìn)行壓裂施工共計(jì)壓裂4次,壓裂順序?yàn)閅1→Y2→Y3→Y4。Y1點(diǎn)距離孔口24.5 m,Y2點(diǎn)距離孔口20 m,Y3點(diǎn)距離孔口14 m,Y4點(diǎn)距離孔口8 m。

圖6 切頂卸壓方案設(shè)計(jì)

4 沿空掘巷切頂卸壓控制效果分析

4.1 頂板水壓致裂效果分析

對(duì)422回風(fēng)巷煤柱側(cè)水壓致裂后頂板施工窺視鉆孔,利用ZDYG100型鉆孔窺視儀觀測(cè)水壓致裂切頂效果,如圖7所示。可以看出,在壓裂點(diǎn)所在區(qū)域附近,頂板巖層出現(xiàn)了環(huán)向及縱向交錯(cuò)裂紋,壓裂效果良好。

圖7 頂板壓裂效果

4.2 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

利用十字交叉法在422回風(fēng)巷內(nèi)布置2個(gè)監(jiān)測(cè)測(cè)站,分析切頂與未切頂?shù)南锏绹鷰r變形特征,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

由圖8可知,切頂后圍巖變形在掘進(jìn)40 d趨于穩(wěn)定,兩幫最大移近量為148 mm,頂?shù)装逡平孔畲鬄?74 mm。相比不切頂條件下,巷道掘進(jìn)穩(wěn)定時(shí)間縮短40%,兩幫移近量降低46%,頂?shù)装逡平拷档?9%,可以有效控制圍巖變形,確保巷道安全使用。

5 結(jié)論

(1)分析了422回風(fēng)巷大變形原因及煤柱側(cè)堅(jiān)硬頂板切頂卸壓機(jī)理,切頂卸壓節(jié)理為切斷應(yīng)力傳遞路徑、減小懸頂長(zhǎng)度、改善應(yīng)力集中。

(2)基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)條件,確定了水壓致裂現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)參數(shù),切頂高度24 m,鉆孔深度26 m,角度80°,間距10 m,單孔壓裂共計(jì)4個(gè)壓裂點(diǎn)。

(3)鉆孔窺視結(jié)果表明,高壓水在堅(jiān)硬巖層內(nèi)產(chǎn)生大量相互貫通的次生裂隙,巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?74 mm,兩幫收斂量最大達(dá)到148 mm,說(shuō)明水壓致裂切頂卸壓應(yīng)用效果良好,圍巖高應(yīng)力環(huán)境得到有效改善,保證了巷道的安全使用。