干河煤礦卸支耦合動(dòng)壓巷道圍巖控制技術(shù)研究

李中偉，薛旭輝，郝登云

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

近年來，綜采綜放設(shè)備效率不斷提高，工作面回采速度快，而巷道掘進(jìn)受多種因素的影響，掘進(jìn)速度提高幅度不大，多數(shù)礦井采掘銜接緊張，工作面正在回采或剛結(jié)束回采，就開始掘進(jìn)臨近工作面巷道的現(xiàn)象極為普遍，該類動(dòng)壓巷道圍巖控制難度極高，圍巖變形量大，需要大量的返修工作，嚴(yán)重影響了工作面正常回采，很多專家學(xué)者針對動(dòng)壓巷道圍巖控制難題開展了大量的研究，提出了多種巷道圍巖控制理論與技術(shù)，包括高預(yù)緊力強(qiáng)力支護(hù)體系，“高阻-讓壓”支護(hù)體系，幫整體強(qiáng)化支護(hù)理念，從強(qiáng)化弱幫、建立強(qiáng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)體和提高整體支護(hù)剛度三方面設(shè)計(jì)控制體系等[1-5]，這些研究成果均在一定程度上解決了動(dòng)壓巷道圍巖控制難題，但沒有解決動(dòng)壓巷道變形的動(dòng)力之源。水力壓裂技術(shù)作為改變煤巖體結(jié)構(gòu)的一種有效技術(shù)手段應(yīng)用于煤礦井下后，一些專家學(xué)者研究了水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理，針對煤柱留巷支護(hù)問題，研究了定向水力壓裂轉(zhuǎn)移護(hù)巷煤柱上的高采動(dòng)應(yīng)力，并提出了定向水力壓裂煤柱留巷卸壓機(jī)理[6-10]。本文針對干河礦2-118D工作面圍巖地質(zhì)條件，數(shù)值模擬分析了水力壓裂控制動(dòng)壓巷道采動(dòng)應(yīng)力的原理，計(jì)算了壓裂關(guān)鍵層，提出了水力壓裂設(shè)計(jì)方案，開展了水力壓裂現(xiàn)場施工，同時(shí)提出了高預(yù)緊力強(qiáng)力支護(hù)和強(qiáng)幫支護(hù)方案。

1 巷道概況

干河礦2-118D1巷，設(shè)計(jì)走向長度706m，埋深540～680m。2-118D1巷北側(cè)為2-118C工作面，南側(cè)為本工作面，西側(cè)為2-118A工作面，東側(cè)為一采區(qū)右翼運(yùn)輸巷、軌道巷與干河村保安煤柱。2-118D1巷與臨近2-118C工作面凈煤柱22m，2-118C工作面正在回采，還有約120m回采結(jié)束，已推過2-118D工作面終采線。工作面布置情況如圖1所示。

圖1 2-118D工作面布置圖

2-118D工作面開采2號煤層，煤層平均厚度3.69m，中間含夾矸0.4m左右，煤層平均傾角4°，沿煤層頂板掘進(jìn)。煤層直接頂為粉砂巖，厚度1.59m，灰色，半堅(jiān)硬。之上為泥巖，厚度4.2m，深灰色，富含植物化石。直接底為粉砂巖，厚度1.61m，深灰色，薄層狀，發(fā)育斜交層面裂隙，松軟。

2 水力壓裂卸壓技術(shù)

2.1 動(dòng)壓巷道壓裂卸壓機(jī)理及壓裂關(guān)鍵層

結(jié)合2-118C和2-118D工作面地質(zhì)條件，建立3DEC數(shù)值模型，分析壓裂與未壓裂時(shí)頂板的垮落情況。未壓裂與壓裂時(shí)垂直位移分布如圖2所示，從圖2中可以明顯看出，在頂板不采取水力壓裂弱化的情況下，2-118C工作面最大垂直位移區(qū)域集中在采空區(qū)中部頂板巖層，工作面兩側(cè)頂板垮落不充分。頂板采取水力壓裂弱化情況下，2-118C工作面采空區(qū)右側(cè)頂板垂直位移明顯增大，采取水力壓裂弱化頂板后，頂板垮落更加充分，形成的懸臂長度減小，該懸臂梁結(jié)構(gòu)是2-118C工作面采空在2-118D1巷圍巖附近產(chǎn)生側(cè)向支承壓力的關(guān)鍵因素，改變了該懸臂梁結(jié)構(gòu)就可以降低2-118C工作面回采對2-118D1巷產(chǎn)生的采動(dòng)應(yīng)力，從而降低2-118D1巷的圍巖控制難度，在巷道變形量可控的前提下降低巷道支護(hù)強(qiáng)度。

圖2 未壓裂與壓裂后垂直位移分布云圖

關(guān)鍵層是指對采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖層活動(dòng)起控制作用的巖層。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，獲得頂板部分巖層及巖性參數(shù)，見表1。

表1 2-118C工作面上覆巖層幾何和力學(xué)參數(shù)

關(guān)鍵層的判斷依據(jù)為：若某硬巖的控制范圍達(dá)到了第n層，則第n+1層載荷小于第n層的載荷；并且應(yīng)同時(shí)滿足下層硬巖的破斷距小于上層硬巖的破斷距。即滿足以下公式：

(qn+1)m<(qn)m

(1)

Lj

(2)

式中，q為巖層承受的載荷，kPa；γ為巖層容重，N/m3；h為巖層厚度，m；E為巖層彈模量，MPa；L為巖層極限跨距，m；RT為巖層抗拉強(qiáng)度，GPa。

1)第1層巖層本身載荷q1為：

q1=γ1h1=25×1.59=39.75kPa

計(jì)算到第2層對第1層的作用，則：

=22.62kPa

滿足(q2)1

2)第2層巖層本身載荷q2為：

q2=γ2h2=23×4.2=96.6kPa

計(jì)算到第3層對第2層的作用，則：

計(jì)算到第4層對第2層的作用，則：

計(jì)算到第5層對第2層的作用，則：

計(jì)算到第6層對第2層的作用，則：

滿足(q6)2<(q5)2，因此第6層巖層可能為關(guān)鍵層；第2層巖層承受的載荷為143.97kPa。

依次采用上述公式計(jì)算，根據(jù)關(guān)鍵層判斷標(biāo)準(zhǔn)，確定關(guān)鍵層為第2、9、13層巖層?？紤]安全因素，確定2-118C工作面上覆巖層的壓裂關(guān)鍵層為第9層和第13層巖層，即厚度6m的砂質(zhì)泥巖和厚度4.8m的細(xì)粒砂巖，見表1。

2.2 水力壓裂方案設(shè)計(jì)及現(xiàn)場施工

水力壓裂的主要目的是改變2-118C工作面回采后形成的頂板巖層結(jié)構(gòu)，控制2-118C工作面采空對2-118D1巷產(chǎn)生的采動(dòng)應(yīng)力，降低2-118D1巷支護(hù)難度。在2-118C1巷頂板布置壓裂鉆孔R，與巷道軸向夾角3°～5°，開孔位置為頂板距煤柱側(cè)幫2～3m，鉆孔長度50m，孔間距10m，仰角50°，鉆頭直徑56mm，鉆桿直徑42mm。2-118C工作面壓裂鉆孔布置如圖3所示。

圖3 2-118C工作面壓裂鉆孔布置方案(m)

試驗(yàn)段巷道長度360m，共計(jì)壓裂鉆孔36個(gè)，壓裂壓力10～30MPa，平均20MPa，其中靠鉆孔上部壓裂壓力較大。

3 高預(yù)緊力強(qiáng)力支護(hù)及強(qiáng)幫支護(hù)方案

3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

依據(jù)高預(yù)緊力強(qiáng)力支護(hù)理論和動(dòng)壓巷道幫部是易破壞的關(guān)鍵部位的研究成果，采用W鋼護(hù)板作為幫部護(hù)表構(gòu)件提高幫部支護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)利用強(qiáng)度高的錨桿錨索作為支護(hù)主體。而采用水力壓裂技術(shù)改變巷道頂板附近巖層結(jié)構(gòu)后，巷道圍巖應(yīng)力會(huì)明顯降低，巷道支護(hù)強(qiáng)度較同類型巷道可適當(dāng)減弱，該類巷道必須打設(shè)的幫錨索可去掉。因此，提出支護(hù)方案如下：

1)頂板支護(hù)。采用Φ22mm×2500mm螺紋鋼錨桿，間排距均為800mm，錨桿托板為150mm×150mm×10mm的方形帶拱托板，配套調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，采用兩支樹脂藥卷，一支規(guī)格為CK2340，一支規(guī)格為Z2360，鉆頭直徑為30mm。錨桿組合構(gòu)件為W鋼帶，厚度3mm，寬280mm，長度4950mm，孔間距800mm。采用8#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)片規(guī)格5200mm×900mm，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm。錨桿預(yù)緊扭矩不低于280N·m。錨索為Φ21.8mm×6300mm，鉆頭直徑30mm，采用三支樹脂藥卷，兩支規(guī)格為Z2360，一支規(guī)格為CK2340。錨索托板為300mm×300mm×16mm的方形帶拱托板，配套調(diào)心球墊。錨索“三·三”布置，間距1300mm，排距1600mm。錨索張拉鎖定后預(yù)緊力不低于250kN。錨桿錨索全部垂直頂板安裝。

2)兩幫支護(hù)。采用Φ22mm×2500mm螺紋鋼錨桿，間排距均為800mm，錨桿托板為150mm×150mm×10mm的方形帶拱托板，配套調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，采用一支樹脂藥卷，規(guī)格為Z2360，鉆頭直徑為30mm。錨桿組合構(gòu)件為W鋼護(hù)板，厚度4mm，寬280mm，長度450mm。采用8#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)片規(guī)格3600mm×900mm，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm。錨桿預(yù)緊扭矩不低于280N·m，幫錨桿全部垂直幫部打設(shè)。

3.2 礦壓監(jiān)測

在巷道掘進(jìn)120m后，布置了表面位移測站對巷道頂板下沉量、兩幫移近量和底鼓量進(jìn)行了測量，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示，從圖4中可以看出：

圖4 巷道表面位移情況

1)巷道頂板下沉量20mm，兩幫移近量72mm，底鼓量26mm，底鼓量和頂板下沉量在距迎頭40m時(shí)基本保持穩(wěn)定，兩幫移近量在距迎頭60m時(shí)基本保持穩(wěn)定。

2)由于兩幫煤體強(qiáng)度較低，雖然加強(qiáng)了幫部支護(hù)強(qiáng)度，但是兩幫移近量仍然大于頂板下沉量和底鼓量。

3)采用水力壓裂和高預(yù)緊力強(qiáng)力支護(hù)的卸支耦合動(dòng)壓巷道圍巖控制技術(shù)后，動(dòng)壓巷道的變形量基本與普通實(shí)體煤巷道相同，較該礦原動(dòng)壓巷道的圍巖變形量降低90%以上，巷道圍巖控制效果極為顯著。

4 結(jié) 論

1)動(dòng)壓巷道卸壓機(jī)理是采用水力壓裂弱化頂板后，回采巷道上方頂板垮落更加充分，形成的懸臂長度減小，降低了側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力，計(jì)算了壓裂關(guān)鍵層，提出了有針對性的水力壓裂設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)場壓裂36個(gè)鉆孔，壓裂壓力在10～30MPa，靠鉆孔上部壓裂壓力較大。

2)提出巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案如下：頂板采用Φ22mm×2500mm螺紋鋼錨桿配套W鋼帶，Φ21.8mm×6300mm錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；幫部采用Φ22mm×2500mm螺紋鋼錨桿配套W鋼護(hù)板。提高錨桿錨索預(yù)緊力，提高幫部護(hù)表強(qiáng)度。

3)采用水力壓裂和高預(yù)緊力強(qiáng)力支護(hù)的卸支耦合動(dòng)壓巷道圍巖控制技術(shù)后，動(dòng)壓巷道的變形量基本與普通實(shí)體煤巷道相同，較該礦原動(dòng)壓巷道的圍巖變形量降低90%以上，巷道圍巖控制效果極為顯著。