臨空巷道圍巖變形機理及控制研究

高占龍，梁 勇

（華陽集團一礦公司，山西 陽泉 045000）

隨著工作面回采的進行，臨空巷道圍巖在相鄰采空區(qū)的影響下易產(chǎn)生變形破壞，為有效控制臨空巷道圍巖變形，以陽煤一礦81403工作面回風(fēng)巷為研究對象，通過分析臨空巷道變形劇烈的原因，選擇相應(yīng)的方案改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境[1]，保證了回采期間巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1 工程背景

1.1 工程概況

81403工作面正在回采15號煤層，工作面埋深為354.1~539.4 m，煤層平均厚度為7.24 m，采放比為1∶1.59。81403工作面回風(fēng)巷東部為十四采區(qū)大巷，南部為81403工作面，西部為十六采區(qū)（未掘進），北部為81401工作面（已回采）。81403工作面回風(fēng)巷為矩形斷面，巷寬5 200 mm，巷高3 100 mm，凈面積16.12 m2，沿15號煤層底板掘進。巷道煤層頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巷道煤層頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

1.2 工程問題及機理

由工程概況可知，在相鄰81401采空區(qū)與本工作面已回采的采空區(qū)影響下，81403回風(fēng)巷道可能出現(xiàn)底鼓和兩幫移近現(xiàn)象。因此，通過分析臨空巷道圍巖變形機理，選擇相應(yīng)的巷道圍巖控制方案十分重要。

隨著81403工作面的回采，工作面上覆低位巖層斷裂回轉(zhuǎn)，導(dǎo)致煤體屈服并失去承載能力，進而引發(fā)應(yīng)力場的重新分布，使應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生殘余支承壓力[2]；本工作面及相鄰81401采空區(qū)的上覆高位巖層因未發(fā)生回轉(zhuǎn)破壞，應(yīng)力場均勻且?guī)缀醪粫l(fā)生變化，巖層連續(xù)且傳遞應(yīng)力效果良好，地應(yīng)力傳遞至側(cè)向煤體中，產(chǎn)生側(cè)向支承壓力[3]。81403工作面回風(fēng)巷道應(yīng)力場在殘余及側(cè)向支承壓力的共同作用下變形劇烈[4]，進而導(dǎo)致巷道產(chǎn)生較大變形。引發(fā)81403工作面回風(fēng)巷道產(chǎn)生較大變形的主要影響因素為殘余支承壓力和側(cè)向支承壓力。為降低支承壓力對回風(fēng)巷道的影響，從控頂卸壓的角度出發(fā)來控制巷道變形。

2 巷道變形控制方案

2.1 卸壓方案及護巷機理

目前，通過卸壓來控制巷道變形的方法主要有水力壓裂法和爆破預(yù)裂法。爆破預(yù)裂法是通過鉆孔、裝藥并引爆的方法在巖層上爆出裂縫，進而破斷巖層，此方法一般用于頂板相對松軟的低瓦斯礦井。81403綜放工作面預(yù)計絕對瓦斯涌出量107 m3/min，預(yù)計相對瓦斯涌出量19.27m3/t，預(yù)計回風(fēng)巷瓦斯量為2.34m3/min，不適于采用爆破預(yù)裂法。水力壓裂法是通過在工作面上的覆巖層中鉆孔注水壓裂巖層進行卸壓，相比于爆破預(yù)裂法具有良好的應(yīng)用效果及經(jīng)濟效益。經(jīng)綜合考慮，81403工作面通過采用水力壓裂法控頂卸壓來控制巷道圍巖變形，通過采用水力壓裂配合高壓磨料射流割縫措施來削弱上覆老頂巖梁的支撐結(jié)構(gòu)，從而控制老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)和下沉變形，進而順利實現(xiàn)對煤柱上面堅硬巖層的斷頂作業(yè)，緩解殘余及側(cè)向支承壓力。

圖1為臨空巷道應(yīng)力分布圖，若上覆巖層在煤壁外發(fā)生破斷，巷道及采空區(qū)部分上覆巖層會形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，巷道處上覆巖層承受巖層自重的壓力和彎矩共同作用，上方二次分布的應(yīng)力場應(yīng)力峰值較大；若上覆巖層在煤壁位置發(fā)生破斷，巷道主要受上覆巖層自重壓力作用，應(yīng)力峰值較小，不易發(fā)生變形破壞。

圖1 臨空巷道應(yīng)力分布圖

由圖1可知，當(dāng)上覆巖層在煤壁外側(cè)斷裂時，工作面上覆巖層懸頂變長，斷裂巖塊所受重力施加在煤體上，容易引起區(qū)段煤柱及巷道變形過大。因此，選擇在煤壁上方進行破斷巖層最為合適，即鉆孔位置應(yīng)選取在81403工作面區(qū)段煤柱上方。

2.2 卸壓方案參數(shù)設(shè)計

在81403回風(fēng)巷道內(nèi)距現(xiàn)采煤工作面300~510 m范圍內(nèi)，布置三組范圍分別為70 m的試驗鉆孔，靠近采空區(qū)的鉆孔均位于區(qū)段煤柱上方，設(shè)計鉆孔深度為41 m、傾角76°。鉆孔布置平面圖如圖2所示。

圖2 鉆孔布置平面圖

第一組試驗范圍70 m，鉆孔間距5 m，在巷道頂板中部開口，向相鄰采空區(qū)共計施工14個磨料割縫鉆孔。割縫范圍為鉆孔內(nèi)10~41 m，孔底至距孔口20 m位置的砂巖、泥巖段割縫間距4 m，距孔口10 m至距孔口20 m位置的石灰?guī)r夾層段割縫間距2 m。

第二組試驗范圍70 m，設(shè)計鉆孔兩排，分別向相鄰采空區(qū)、實體煤側(cè)施工，同排鉆孔間距8 m，兩排鉆孔間內(nèi)錯4 m，每3個鉆孔為一小組，每小組中間鉆孔為割縫/壓裂聯(lián)合鉆孔，兩側(cè)為磨料割縫鉆孔，第二組試驗共計施工12個磨料割縫鉆孔，6個割縫/壓裂聯(lián)合鉆孔。割縫范圍為鉆孔內(nèi)10~41 m，孔底至距孔口20 m位置的砂巖、泥巖段割縫間距4 m，距孔口10 m位置至距孔口20 m位置的石灰?guī)r夾層段割縫間距2 m；割縫范圍為距孔口28 m至孔底的砂巖段，割縫間距4 m。壓裂范圍為距孔口28 m位置至孔底的砂巖段。

第三組試驗范圍70 m，設(shè)計鉆孔兩排，分別向相鄰采空區(qū)、實體煤側(cè)施工，同排鉆孔間距5 m，兩排鉆孔間內(nèi)錯2.5 m，共計施工28個磨料割縫鉆孔。割縫范圍為鉆孔內(nèi)10~41 m，孔底至距孔口20 m位置割縫間距4 m，距孔口10 m位置至距孔口20 m位置割縫間距2 m。

2.3 卸壓工作流程

采用ZDY4200LPS（A）鉆機進行靜壓水打鉆，鉆桿為Φ73 mm×1 000 mm的水力割縫整體鉆桿，鉆頭為Φ94 mm的金剛石復(fù)合片鉆頭。使用鉆機按照鉆孔設(shè)計參數(shù)打鉆后進行割縫，隨后將高壓磨料罐并聯(lián)至高壓水路，通過磨料調(diào)節(jié)閥以及混合腔將磨料與高壓水進行混合，并輸送至切割執(zhí)行裝置進行割縫作業(yè)，作業(yè)完畢后，退鉆桿并封孔（封孔深度不低于5 m）。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

為檢驗水力壓裂法對回風(fēng)巷道圍巖的控制效果，在回風(fēng)巷道內(nèi)距現(xiàn)采煤工作面305 m至505 m處，每間隔50 m布置1組測站，共布置5組測站，采用十字觀測法對巷道頂?shù)装濉蓭鸵平窟M行為期60 d的觀測。因數(shù)據(jù)量過多，以3號測站數(shù)據(jù)為例，繪制的回風(fēng)巷道圍巖變形圖如圖3所示。

圖3 巷道圍巖變形圖

由圖3可知，對工作面回風(fēng)巷道采用水力壓裂法控頂卸壓后，當(dāng)工作面回采至距3號測站80 m處時，工作面超前支承壓力逐漸影響到回風(fēng)巷道，圍巖開始緩慢產(chǎn)生變形；當(dāng)工作面回采至距3號測站20~40 m時，回風(fēng)巷道受工作面超前支承壓力峰值影響，圍巖變形劇烈；當(dāng)工作面回采至距3號測站0~20 m時，工作面超前支承壓力峰值向3號測站前方移動，巷道圍巖變形速率降低；回采期間81403回風(fēng)巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵七M量均在200 mm以內(nèi)。

4 結(jié)論

1）81403工作面臨空回風(fēng)巷道產(chǎn)生變形的主要因素為殘余支承壓力和側(cè)向支承壓力。

2）81403工作面回風(fēng)巷道采用水力壓裂法控頂卸壓可以有效控制巷道圍巖變形。

3）控頂卸壓后，回采期間回風(fēng)巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵七M量均控制在200 mm以內(nèi)。