多重采動煤柱留巷累積損傷特征及圍巖協同控制

孫志勇

(中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

0 引 言

煤炭是保障國家能源安全的重要基礎，在較長一個時期內作為中國主體能源的地位不會發生變化。據煤炭工業協會發布的報告顯示，截至2019年末，全國煤礦數量為5300處左右，其中高瓦斯(突出)礦井數量約占比45%。為有效解決高突煤層運輸、通風等系列問題，盤區巷道及工作面巷道多采用多巷布置模式[1-2]。

護巷煤柱留設是煤礦開采中的一個關鍵技術，關系到開采空間穩定性、煤炭資源回收率及煤礦安全等一系列問題。采煤工作面順序開采時，護巷煤柱在時間上要服務于2個工作面，在空間上要經受本工作面超前與滯后支承壓力、接續工作面超前支承壓力等多重采動應力耦合作用[3]。鑒于在開采空間與時間上的典型特點，護巷煤柱呈現出持續大變形、強烈擴容性、片冒甚至失穩等復雜的非穩定和非線性變形特征[4]，引發煤體結構損傷、強度及錨固性能衰減、支護系統失效、維修困難，影響安全生產。

國內外學者采用理論分析、數值計算[5]、相似模擬等方法對動壓留巷圍巖控制進行了大量探索和研究，包括高預應力錨桿支護[6-8]、錨注聯合支護[9-12]、應力控制技術[13-16]等。由于煤礦地質條件和圍巖賦存狀況差異性較大，動壓留巷圍巖變形量大、支護材料破斷等現象仍普遍存在。本文以寺河煤礦雙側開采擾動下盤區大巷留設問題為工程背景，數值分析大巷從掘巷至雙側工作面回采結束全過程的圍巖應力和變形破壞特征，根據巷道累積損傷破壞特征提出相應的圍巖協同控制方案，結合現場監測進行驗證分析。

1 工程概況

寺河煤礦是煤與瓦斯突出礦井，主采二疊系下統山西組3號煤層，東五盤區煤層的平均厚度為6 m，為近水平煤層，埋深320～350 m，工作面開采使用一次采全高。為滿足通風和輔助運輸的要求，布置4條盤區大巷，大巷軸向均為東西向，與雙側工作面回采方向平行，南翼距5303工作面巷道53033巷中-中煤柱40 m，北翼距為5304工作面巷道53043巷凈煤柱55 m。如圖1所示，回風一巷為頂板巖巷，斷面為直墻半圓拱，距3號煤層頂板垂距為13 m。其他3條大巷為煤巷，沿3號煤層底板掘進。5303、5304這2個工作面順序回采，雙側回采后4條大巷要留巷為后續工作面服務。

圖1 盤區大巷平面布置

根據巷道生產地質情況，盤區大巷存在以下典型特點。

1)強采動：盤區巷道要經受多巷掘進擾動和雙側大采高工作面順序回采動壓影響，采動影響強烈。

2)長時效：至少要服務于5303和5304這2個工作面，大巷軸向與兩側工作面回采方向平行，護巷煤柱要經受側向懸臂結構由形成至穩定整個周期的影響，巷道圍巖變形量隨時間持續增大，直至覆巖趨于穩定。

3)小尺寸：大巷密集且巷間煤柱尺寸偏小，距離兩側采空區分別為35 m和55 m，輔助運輸巷與膠帶運輸巷之間凈煤柱15 m，應力分布復雜且集中程度高。

2 多重采動影響大巷圍巖應力分析

2.1 模型的建立

根據寺河煤礦東五盤區大巷地應力原位測量結果顯示，最大水平主應力12.9 MPa，最小水平主應力為6.97 MPa，垂直應力為7.74 MPa，應力場類型為σH>σh>σV型，以構造應力場為主，量值上屬于中等應力區。3個測點最大水平主應力方向分別為N80.2°E，N75.6°E，N83.8°E，方向基本為近東西向，與盤區大巷軸線方向平行。

為進一步了解大巷圍巖變形、應力分布及破壞特征，采用軟件FLAC3D進行數值模擬。根據巷道頂底板巖層分布，模型劃分為7層，長×寬×高尺寸為800 m×30 m×100 m，網格尺寸劃分為1 m×1 m×1 m，各巖層均服從莫爾-庫侖破壞準則，模型四周水平位移約束，上部為應力邊界，底部為固定邊界，上覆巖層重力用均分分布的應力載荷取代，圍巖力學參數見表1。

表1 巷道圍巖物理力學參數

模擬過程為：巷道開挖→5303工作面開采，模擬單翼開采后大巷圍巖變形情況及煤柱應力分布→5304工作面開采，模擬雙側開采后大巷圍巖變形情況。

2.2 大巷圍巖應力分析

2.2.1 掘進影響階段

盤區巷道掘進按支護設計進行施工后，圍巖應力、變形分布情況如圖2所示。

圖2 回風二巷開挖模擬結果

從圖2可以看出，作為巷道密集區，當巷道掘進后，巷道底板、兩幫形成了一定程度的應力集中，巷道之間的煤柱產生了應力集中現象，但應力集中現象不明顯。從位移方面分析，巷道掘進后圍巖變形主要發生在頂底板，最大垂直位移為160mm，變形量較小。

2.2.2 一次采動影響階段

5303工作面回采后，盤區巷道的垂直應力及塑性區分布如圖3所示。

圖3 圍巖應力及塑性區分布特征

從圖3(a)垂直應力分布可以看出，當5303工作面開采后，工作面與回風二巷之間煤柱產生應力集中，最大垂直應力為26 MPa；對比回風二巷兩側圍巖應力分布可知，回風二巷兩側的煤柱應力呈現出左側高、右側低的特征，而隨著距采空區的距離增大，垂直應力逐漸降低，由此可知，受5303工作面回采影響后，大巷圍巖垂直應力隨著距采空區距離的增大而減小；

結合圖3(b)巷道圍巖塑性區分布可知，回風二巷左側圍巖塑性區與采空區貫通，右側圍巖最大塑性區范圍為7 m，輔助運輸巷左側圍巖塑性區最大范圍為7 m，右側與膠帶運輸巷貫通，膠帶運輸巷右側圍巖塑性區最大范圍也為7 m，當5303工作面開采后，盤區巷道的塑性區范圍進一步增大，尤其是回風二巷的左幫，塑性區基本與采空區貫通。

2.2.3 二次采動影響階段

5304工作面回采后巷道圍巖應力集中系數如圖4所示。

圖4 應力集中系數云圖

從圖中可以看出，雙側采空以后，盤區巷道應力集中程度更高，5303工作面采空區與回風二巷之間煤柱垂直應力最高為27.4 MPa，應力集中系數為3.55，集中應力對巷道的變形破壞產生顯著影響，輔運巷與膠帶巷之間的15 m煤柱基本發生塑性破壞。

3 留巷圍巖協同控制

3.1 總體思路

基于多重采動應力下大巷累積損傷破壞特征，提出“三主動”圍巖控制總體思路：主動切頂卸壓、主動注漿改性、主動高強支護。

1)主動切頂卸壓：通過人工干預改變上覆巖層結構，減少側向懸臂梁的跨距，縮短側向支承壓力的作用時間，改變煤柱應力分配比例，減小留巷圍巖變形。

2)主動圍巖改性：多次動壓影響下，大巷間煤柱內部及巷道圍巖會產生明顯的離層、滑動，原生裂隙張開，并出現新的裂紋，導致圍巖松散、破碎以及劇烈變形。對盤區集中巷圍巖進行主動改性，利用漿液充填圍巖內的裂隙，將破碎的煤體固結起來，重塑圍巖的完整性，保證支護體預應力的有效擴散，進一步增強圍巖自身承載能力。

3)主動高強支護：在圍巖主動改性的基礎上，采用高強度、高剛度、高延伸率、高沖擊韌性的支護材料對圍巖進行強力主動支護，將支護體的錨固與注漿技術有機結合，一方面實現在巷道淺層通過錨桿加固形成穩定的承載結構，另一方面增大錨索預緊力來保證預應力向深部傳遞，提高承載結構的穩定性。

3.2 切頂卸壓

根據水力壓裂作用機理，為了減小采空區側向懸臂跨距，卸載或轉移傳遞到護巷煤柱的高應力[17-20]，選擇在53033巷內實施切頂卸壓。

基于工作面上覆巖層結構與井下現場施工條件，切頂卸壓方案設計如下：每排布置2個卸壓鉆孔(圖5)，排距10 m，鉆孔直徑均為75 mm。煤柱側鉆孔在巷幫打設，上距巷道頂板0.3～0.5 m，鉆孔長度40 m，仰角60°，鉆孔水平投影與巷道夾角60°；受皮帶運轉影響，5303工作面側鉆孔在頂板打設，距煤柱側幫1.5～2 m，鉆孔長度為32 m，仰角為60°，鉆孔水平投影與巷道夾角20°。超前回采工作面100 m進行水力壓裂，選擇巖層完整段進行倒退式壓裂，壓裂間隔2～3 m，壓裂時間不低于20 min。

圖5 切頂卸壓鉆孔示意圖

3.3 注漿改性方案

由于先進行修復的巷道要經受后修巷道的擾動，本著重點巷道放在后面維護的原則，巷道注漿加固順序為：回風二巷→回風一巷→輔助運輸巷→膠帶運輸巷。從圍巖變形特征分析得出，巷幫煤巖體受采動影響變形劇烈，因此巷幫是重點加固對象。

避免注漿漿液外流，為確保注漿效果，首先對加固區域圍巖表面進行噴漿封閉。根據窺視結果，回風二巷煤幫破壞深度在4～6 m，確定注漿鉆孔采用“邁步”布置，深度8 m，上排孔距巷道頂板0.9 m，下排孔距巷道底板0.9 m，間距為2 m，排距6 m。回風一巷每排5個鉆孔，深度6 m，排距6 m，間距3 m，注漿孔布置如圖6所示。注漿水灰比0.6～0.8∶1，注漿終止壓力6～8 MPa。

圖6 注漿鉆孔布置圖(單位：mm)

3.4 高強支護

注漿改性完成后進行幫頂高預應力錨索支護控制圍巖變形，煤巷頂板錨索規格為SKP22-1/1720-7300，采用1支MSK2335和2支MSZ2360樹脂錨固劑錨固，鎖定損失后的預緊力水平按要求不低于250kN。巷幫錨索規格為SKP22-1/1720-4300，采用1支MSK2335和2支MSZ2360樹脂錨固劑錨固，鎖定損失后的預緊力水平要求不低于150 kN。錨索間距1.1 m，排距1 m；巖巷錨索規格為SKP22-1/1720-5300，沿巷道斷面成排布置，排距2 m，間距2 m，全部垂直巖面，鎖定損失后預緊力水平要求不低于250 kN，如圖7所示。

圖7 巷道高強支護方案(單位：mm)

4 井下試驗效果評價

綜合加固完成后，采用工作面超前支護應力、圍巖表面位移監測等手段評價盤區大巷穩定性控制效果。

4.1 超前支護應力監測

對切頂卸壓前后工作面超前支護應力進行監測，分別布置在超前工作面5，10，15，20 m這4個位置，監測結果如圖8所示。

圖8 工作面超前支護應力監測曲線

從工作面超前單體柱受力分析，未壓裂情況下單體柱受力監測曲線忽高忽低變化較快，壓力值在3～18 MPa之間，單體柱受力呈現不穩定性，說明超前段頂板壓力存在多變性；水力壓裂切頂卸壓后單體柱受力監測曲線變化平緩，壓力值在9～15 MPa之間，壓裂后超前壓力比壓裂前要大，但是單體柱受力比較穩定，應力集中程度降低，說明水力壓裂后明顯改善超前段頂板的應力環境。

4.2 圍巖變形監測

盤區巷道經過綜合方案加固后，對巷道圍巖變形進行監測，結果如圖9所示。

圖9 巷道表面位移曲線

圖9為盤區大巷表面位移曲線，歷經1年左右的監測結果顯示，回風二巷頂板下沉264 mm，底鼓117 mm，兩幫移近量365 mm；回風一巷頂板下沉208 mm，底鼓235 mm，兩幫移近423 mm，綜合加固方案有效控制雙側回采擾動下盤區大巷圍巖變形，加固后的巷道滿足安全使用要求。

5 結 論

1)通過分析采掘動壓對巷道圍巖破壞特征的影響，掌握了動壓分布規律，為支護方式的選擇提供了依據。

2)根據大巷的變形破壞特征，提出“水力壓裂切頂卸壓、破碎圍巖注漿改性傳遞應力、高預應力錨索主動支護”圍巖綜合控制方法，實現載荷傳遞、變形控制的耦合與協同。

3)采用水力壓裂、注漿加固、高強支護技術，有效控制雙側回采擾動下盤區大巷圍巖變形，基本滿足了巷道的使用要求，實現了工作面安全開采。