動壓煤巷群圍巖分區(qū)劣化特征及控制技術研究

高曉君，楊 征，郭超奇，丁彥雄，李安寧

(1.陜西小保當?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307)

在我國，巷道事故占煤礦事故91.6%，回采巷道事故占巷道事故90%，動壓巷道事故占回采巷道事故90%[1]。目前，隨著煤礦開采強度、范圍及深度的增加，深部高應力、大斷面、動壓、沖擊礦壓、軟巖、沿空巷道越來越制約礦井安全高效生產(chǎn)。礦井開采活動勢必打破煤巖層原巖應力環(huán)境，動壓成為巷道支護不可避免的難題[2]。針對動壓巷道圍巖變形破壞特征、裂隙演化范圍、應力分布規(guī)律及變形控制技術，國內(nèi)學者已經(jīng)作出大量研究[3-7]，但是動壓巷道群受采動影響圍巖分區(qū)劣化特征研究較少。基于黃陵二號礦大巷群賦存特征及生產(chǎn)條件，采用鉆孔窺視法，系統(tǒng)研究雙翼開采條件下四條大巷圍巖裂隙發(fā)育演化貫通規(guī)律及分區(qū)劣化特征，提出分區(qū)加固圍巖控制技術，有效控制了黃陵二號礦大巷群圍巖大變形。

1 動壓煤巷群圍巖變形破壞特征

黃陵二號礦位于陜西省黃陵縣，年產(chǎn)量8.0Mt。該礦為單一近水平煤層，埋深約500m，煤厚約2.5～6.0m，傾角1°～5°，局部最大不超過8°，煤質(zhì)較堅硬，直接頂為細粒砂巖約2m，基本頂為深灰色粉砂巖14～21m，底板為泥巖約1.5～2.0m，較軟～中硬，遇水軟化膨脹。礦井采用斜井開拓，礦井為單水平、分盤區(qū)開采，沿煤層布置四條水平大巷，大巷間保護煤柱40m，終采線保護煤柱200m。開采順序為兩翼開采，煤層大巷群受兩翼工作面回采擾動變形破壞嚴重。雙翼開采工作面布置方案如圖1所示。

圖1 雙翼開采工作面布置

黃陵二號礦煤層大巷群變形破壞情況分析如下：①動壓煤巷群托頂煤布置，地應力方向不詳，頂板呈現(xiàn)臺階錯斷，局部存在網(wǎng)兜下沉量大，肩角局部應力集中甚至出現(xiàn)裂縫；②動壓煤巷群幫部底角內(nèi)移破裂，局部位置片幫破壞；③動壓煤巷群錨桿主動支護及系數(shù)小，預應力擴散系數(shù)及長度系數(shù)小，有效壓應力區(qū)小，錨固體處于失效狀態(tài)，整體支護強度遠遠不足；④動壓煤巷群雙翼開采圍巖裂隙發(fā)育演化貫通規(guī)律及分區(qū)劣化特征，分區(qū)補強強度及加固時機研究不足，無針對性圍巖控制技術。

2 動壓煤巷群圍巖裂隙演化實測

本次試驗在黃陵二號礦四條大巷受雙翼開采擾動區(qū)段(412及414工作面)每隔50m布置一個斷面(每個斷面布置三個鉆孔，即頂板及兩幫，鉆孔長8m)，采用鉆孔窺視儀觀測鉆孔內(nèi)圍巖裂隙演化情況，測量完畢后統(tǒng)計匯總每個斷面每個鉆孔單位長度內(nèi)圍巖裂隙區(qū)延伸長度。系統(tǒng)考慮各影響因素，綜合評判圍巖分區(qū)劣化程度，最終提出黃陵二號礦煤巷群針對性控制對策。

2.1 2號輔運大巷裂隙演化實測

裂隙區(qū)實測分布：0.62～1.17m，1.41～1.51m，2.31～2.46m，3.51～3.59m，4.27～4.30m。

2號輔運大巷鉆孔各段裂隙區(qū)長度統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示，由實測結(jié)果可知：①2號輔運大巷鉆孔窺視長8m，裂隙發(fā)育程度較高，0～5m范圍內(nèi)每米鉆孔裂隙區(qū)長度均大于3cm；5～8m范圍內(nèi)圍巖相對完整，裂隙極少發(fā)育；②2號輔運大巷淺部裂隙發(fā)育程度總體上大于圍巖深部。分區(qū)計量裂隙區(qū)長度：0～1m范圍內(nèi)裂隙極度發(fā)育，裂隙區(qū)長度達38cm；1～3m范圍內(nèi)每米裂隙區(qū)長度均小于27cm；3～5m范圍內(nèi)裂隙發(fā)育低，每米裂隙區(qū)長度均小于8cm；5m以深裂隙發(fā)育不明顯。

圖2 2號輔運大巷鉆孔各段裂隙區(qū)長度統(tǒng)計結(jié)果

2.2 膠帶大巷裂隙演化實測

裂隙區(qū)實測分布：0.3～0.4m，0.6～1.15m，1.41～1.51m，2.41～2.53m，3.43～3.63m，4.21～4.24m。

主運輸巷鉆孔各段裂隙區(qū)長度統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示，由實測結(jié)果可知：①主運輸巷鉆孔窺視長8m，裂隙發(fā)育程度高，0～5m范圍內(nèi)每米鉆孔裂隙區(qū)長度均大于3cm；5～8m范圍內(nèi)圍巖相對完整，裂隙極少發(fā)育。主運輸巷淺部裂隙發(fā)育程度總體上大于圍巖深部。②分區(qū)計量裂隙區(qū)長度：0～1m范圍內(nèi)裂隙極度發(fā)育，裂隙區(qū)長度達50cm；1～3m范圍內(nèi)每米裂隙區(qū)長度均小于25cm；3～4m范圍裂隙區(qū)長度20cm；4～5m范圍內(nèi)每米裂隙區(qū)長度均小于3cm；5m以深裂隙發(fā)育不明顯。③距巷道表面4m范圍內(nèi)煤體裂隙發(fā)育程度較兩側(cè)偏高，表現(xiàn)出深部巷道圍巖分區(qū)破裂的特征。

圖3 主運輸巷鉆孔各段裂隙區(qū)長度統(tǒng)計結(jié)果

2.3 回風大巷裂隙演化實測

裂隙區(qū)實測分布：0.17～1.17m，1.41～1.81m，2.21～2.41m，2.62～2.74m，3.41～3.65m，4.14～4.27m，5.41～5.46m。

圖4 回風大巷鉆孔各段裂隙區(qū)長度統(tǒng)計結(jié)果

回風大巷鉆孔各段裂隙區(qū)長度統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示，由實測結(jié)果可知：①回風大巷鉆孔窺視長8m，裂隙發(fā)育程度高，0～6m范圍內(nèi)每米鉆孔裂隙區(qū)長度均大于5cm；6～8m范圍內(nèi)圍巖相對完整，裂隙極少發(fā)育。②回風大巷淺部裂隙發(fā)育程度總體上大于圍巖深部。分區(qū)計量裂隙區(qū)長度：0～1m范圍內(nèi)裂隙極度發(fā)育，裂隙區(qū)長度達83cm；1～3m范圍內(nèi)每米裂隙區(qū)長度均小于57cm；3～5m范圍每米裂隙區(qū)長度均小于24cm；5～6m范圍內(nèi)每米裂隙區(qū)長度均小于5cm；6m以深裂隙發(fā)育不明顯。

2.4 1號輔運大巷裂隙演化實測

裂隙區(qū)實測分布：0.62～1.12m，1.49～1.59m，2.34～2.45m，3.71～3.75m。

1號輔運大巷鉆孔各段裂隙區(qū)長度統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示，由實測結(jié)果可知：①1號輔運大巷鉆孔窺視長8m，裂隙發(fā)育程度低，0～4m范圍內(nèi)每米鉆孔裂隙區(qū)長度均大于4cm；4～8m范圍內(nèi)圍巖相對完整，裂隙極少發(fā)育。②1號輔運大巷淺部裂隙發(fā)育程度總體上大于圍巖深部。分區(qū)計量裂隙區(qū)長度：0～1m范圍內(nèi)裂隙極度發(fā)育，裂隙區(qū)長度達38cm；1～2m裂隙區(qū)長度達22cm；2～3m裂隙區(qū)長度達11cm；3～4m裂隙區(qū)長度達4cm；4m以深裂隙發(fā)育不明顯。

圖5 1號輔運大巷鉆孔各段裂隙區(qū)長度統(tǒng)計結(jié)果

3 動壓煤巷群圍巖分區(qū)劣化分析

巷道圍巖裂隙發(fā)育演化量化指標包括：裂隙發(fā)育條數(shù)m、裂隙擴展長度l、裂隙開裂寬度k、裂隙貫通深度d、裂隙區(qū)延伸長度L等。限于裂隙綜合量化本身復雜性及鉆孔窺視儀測試精確度，單條裂隙發(fā)育演化難以定量(裂隙發(fā)育條數(shù)m、裂隙擴展長度l、裂隙開裂寬度k及裂隙貫通深度d難以準確量取)，但是可以準確計量裂隙區(qū)延伸長度L，綜合考慮確定圍巖破裂程度，最終提出巷道圍巖分區(qū)劣化指標W，即單位鉆孔長度內(nèi)圍巖裂隙區(qū)延伸長度[8，9]。

式中，Li為第i段圍巖裂隙區(qū)延伸長度，m；Ai為第i段鉆孔長度，m。

統(tǒng)計黃陵二號礦煤巷群雙翼開采動壓影響段每個斷面頂板及兩幫每個鉆孔單位長度內(nèi)圍巖裂隙區(qū)延伸長度，綜合評判圍巖分區(qū)劣化程度，每個鉆孔圍巖分區(qū)劣化特征主要表現(xiàn)為以下2種類型。動壓煤巷群圍巖分區(qū)劣化統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。

圖6 動壓煤巷群圍巖分區(qū)劣化統(tǒng)計

黃陵二號礦動壓煤巷群圍巖分區(qū)劣化影響因素分析如下：

1)巷道頂板留頂煤掘進對圍巖分區(qū)劣化的影響，黃陵2號礦煤巷群部分留頂煤掘進，厚度多在1～2m左右，但受2號煤層埋深和煤厚變化影響，局部巷道頂煤厚度較小。比較分析全巖頂板、1m頂煤及全煤頂板條件下頂板裂隙發(fā)育特征。數(shù)據(jù)曲線顯示，頂煤較薄時，頂板完整性較高，裂隙基本不發(fā)育。全煤頂板條件時，頂板裂隙發(fā)育程度較高。不同巖性頂板裂隙區(qū)長度隨鉆孔深度變化如圖7所示。

表1 動壓煤巷群圍巖分區(qū)劣化分類

圖7 不同巖性頂板裂隙區(qū)長度隨鉆孔深度變化

2)采動對圍巖分區(qū)劣化的影響，409工作面回采結(jié)束后，隨414工作面回采推進，煤巷群將受到二次采動影響，頂板下沉、兩幫移進及底臌圍巖變形將增大。根據(jù)裂隙區(qū)長度統(tǒng)計結(jié)果可知，兩幫鉆孔裂隙區(qū)長度明顯大于頂板鉆孔裂隙區(qū)長度，兩幫分區(qū)劣化程度受414工作面采動影響明顯大于頂板。因此在414工作面回采結(jié)束前，應盡快完成加固2號輔運大巷及膠帶大巷，尤其要加強幫部支護體強度及范圍[10，11]。雙翼采動對煤巷群頂板及兩幫分區(qū)劣化的影響如圖8所示。

圖8 雙翼采動對煤巷群頂板及兩幫分區(qū)劣化的影響

4 動壓煤巷群分區(qū)加固技術

動壓煤巷群分區(qū)加固技術如圖9所示，基于黃陵二號礦動壓煤巷群賦存及生產(chǎn)條件，結(jié)合煤巷群圍巖分區(qū)劣化特征[12，13]：

圖9 動壓煤巷群分區(qū)加固技術

1)由于掘巷影響煤巷群圍巖處于二向應力狀態(tài)，當其受到雙翼開采擾動工作面超前支承壓力傳遞過來時，淺部圍巖由壓應變急劇轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚儯瑖鷰r淺部裂隙極度發(fā)育，淺部圍巖將幾乎失去承載性能，因此在巷道掘進后及時安裝高預應力高強高剛度錨桿，有效解決錨桿主動支護及系數(shù)小，預應力擴散系數(shù)及長度系數(shù)小，有效壓應力區(qū)小，整體支護強度遠遠不足難題，此時形成淺部支護區(qū)(0～2m)。

2)當淺部圍巖失去支護性能后，超前支承壓力繼續(xù)向中部微裂隙區(qū)轉(zhuǎn)移，中部微裂隙區(qū)圍巖部分由壓應變轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚儯瑖鷰r部分裂隙發(fā)育貫通少，若中部微裂隙區(qū)原生裂隙、節(jié)理甚至結(jié)構(gòu)面多，當超前支撐壓力大時，原生裂隙將迅速發(fā)育，產(chǎn)生異常區(qū)段，黃陵二號煤礦膠帶大巷賦存煤層自身裂隙較發(fā)育，異常區(qū)段多分布在4m以深區(qū)域，當受到采動影響后中部微裂隙區(qū)局部原生裂隙發(fā)育處產(chǎn)生異常。因此在巷道掘進后頂板應及時安裝高預應力錨索，保證施工安全。由于動壓煤巷群幫部分區(qū)劣化程度明顯大于頂板，因此幫部在受采動前安裝錨索且長度大于4m，改善幫部力學參數(shù)及受力環(huán)境，增強幫部承載性能，降低中部微裂隙區(qū)裂隙發(fā)育，此時形成中部控制區(qū)(2～5m)。

3)深部原巖區(qū)所處應力環(huán)境低甚至處于原巖應力環(huán)境，此處煤巖體處于彈性狀態(tài)，壓縮狀態(tài)，承載性能高。因此錨索端部應錨固到“零位移點”處(“深淺比”負值壓縮區(qū))，充分調(diào)動深部圍巖承載性能，此時形成深部承載區(qū)(5m以上，特別是6～8m)。此外，黃陵礦煤巷群受采動影響，肩角應力集中，頂板破碎甚至出現(xiàn)臺階下沉，關鍵部位在受采動前應提前補強加固，底板為泥巖，遇水軟化膨脹，采取反底拱、鋪混凝土等措施，保證動壓煤巷群圍巖穩(wěn)定[14-16]。工業(yè)試驗表明動壓煤巷群圍巖變形90d后逐步趨于穩(wěn)定，有效保證了巷道穩(wěn)定。動壓煤巷群圍巖變形量觀測結(jié)果如圖10所示。

圖10 動壓煤巷群圍巖變形量觀測結(jié)果

5 結(jié) 論

1)采用鉆孔窺視法，實測雙翼采動時煤巷群圍巖裂隙演化規(guī)律，提出巷道圍巖分區(qū)劣化指標W，即單位鉆孔長度內(nèi)圍巖裂隙區(qū)延伸長度。

2)煤巷群圍巖分區(qū)劣化特征：①W隨鉆孔深度增大而減小。即裂隙區(qū)長度與鉆孔深度成反比(頂板及大多數(shù)幫部)；②W總體上隨鉆孔深度增大而減小，即裂隙區(qū)長度總體上與鉆孔深度成反比，局部區(qū)段裂隙區(qū)長度顯著增大。異常區(qū)段多分布在4m以深區(qū)域(少數(shù)幫部)

3)黃陵二號礦煤巷群圍巖分區(qū)劣化影響因素：①巷道留頂煤掘進；②雙翼開采擾動。

4)煤巷群分區(qū)加固技術：頂板及兩幫圍巖總體上隨深度增大，圍巖劣化程度增大，頂板及兩幫存在裂隙三區(qū)：淺部裂隙極度發(fā)育區(qū)，中部微裂隙區(qū)，深部原巖區(qū)，表現(xiàn)出明顯分區(qū)劣化特征。針對性提

出支護三區(qū)：淺部支護區(qū)(0～2m)，中部控制區(qū)(2～5m)及深部承載區(qū)(5m以上，特別是6～8m)。此外，關鍵部位在受采動前應提前補強加固，底板為泥巖及時加固。