厚煤層沿空掘巷水力切頂圍巖控制技術實踐

牟文輝,強 丁

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

厚煤層堅硬頂板條件下的沿空掘巷巷道圍巖大變形[1],一直是煤炭生產企業與國內外專家學者重點關注的問題,其主要原因是煤柱寬度不合理、支護強度不足[2]、側向懸頂較長[3]、懸頂運動過程中的動壓擾動等[4]。針對側向懸頂過長、難冒落這一誘因,國內外綜采工作面常用預裂爆破[5]和水壓致裂[6]2種主動干預手段。相對于預裂爆破技術而言,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]顯著優勢,已在我國不同礦區綜采工作面展開試驗和推廣并取得顯著成效。國內外研究人員針對切頂卸壓機理[8]、沿空掘巷圍巖控制[9]、沖擊地壓防治[10]及裂縫擴展規律等[11]方面展開相關研究并用于現場施工指導。康紅普等[12]結合斷裂力學理論,分析了煤巖層水壓致裂裂縫的擴展機理及主要影響因素,為煤礦井下安全回采及高應力巷道圍巖控制提供理論和實踐依據。許磊等[13]綜合分析了近位關鍵層切頂卸壓關鍵參數對沿空掘巷圍巖變形的影響規律并確定了合理保護煤柱寬度及切頂參數。牛同會[14]在分析了堅硬頂板懸頂對礦壓規律顯現特征基礎上,提出了分段水壓致裂技術,并在現場應用。黃炳香等[15]利用真三軸試驗系統,揭示了應力差、裂隙等對水壓裂縫的擴展影響機理,將堅硬頂板水壓致裂成套技術應用于現場實踐。

以上研究為堅硬頂板的人為干預控制提供了理論及現場實踐依據,然而煤礦井下巷道圍巖受采掘擾動及地應力的疊加影響,其變形機理難以量化表征且水壓致裂裂縫擴展機理還未完全明確,針對具體地質情況還需進一步研究。為此,以黃陵二號煤礦422回風巷留設10 m煤柱沿空掘巷為工程背景,分析了厚煤層堅硬頂板下沿空掘巷切頂卸壓控制機理,確定422回風巷水壓致裂切頂卸壓方案,并進行現場實踐驗證。

1 工程概況

黃陵二號煤礦隸屬于陜西陜煤黃陵礦業公司,位于陜西省黃陵縣雙龍鎮,核定年生產能力可達800萬t/a,設計服務年限70 a。422工作面回風巷沿2號煤層頂板掘進與420工作面采空區之間留設10 m煤柱,總長度2 441.5 m,巷道平均埋深410 m。巷道位置及四鄰關系如圖1所示。

圖1 422 工作面布置

2號煤層結構簡單,厚度變化較穩定(5.0～5.4 m),煤層平均厚度5.2 m,煤層近水平發育,一般傾角為0°～2°,平均0.5°。2號煤層直接頂粉砂巖厚度為17～19 m,基本頂細砂巖厚度為7～9 m,基本底細砂巖厚度為9～10 m,煤巖層綜合柱狀見表1。

表1 煤巖層綜合柱狀表

422回風巷掘進斷面為矩形4.8 m×3.8 m(寬×高),掘進斷面18.24 m2,采用錨網索聯合支護,巷道斷面原支護設計如圖2所示。

圖2 巷道斷面原支護設計

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,長度4 200 mm。

回采幫錨桿采用φ22 mm×2 800 mm高強度樹脂錨桿,間排距1 000 mm×1 000 mm,配套使用規格為400 mm×200 mm×50 mm的木托盤。煤柱側幫部采用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,墊片規格為80 mm×80 mm×10 mm的鋼托盤。T100長度分別為2 600 mm/1 000 mm。每根錨桿使用1卷MSK2335和1卷MSZ2360樹脂藥卷。

頂板采用規格為1 200 mm×5 200 mm鐵絲菱形網,回采幫采用規格為1 200 mm×3 600 mm復合網,煤柱幫部采用規格為φ6.5 mm-1 000 mm×2 000 mm鋼筋網片。

2 沿空掘巷切頂卸壓圍巖控制機理

2.1 沿空掘巷大變形原因分析

工作面開采結束后,隨著基本頂懸頂長度達到其極限跨距時發生周期性破斷,采空區側向頂板在煤體上方斷裂形成A、B、C關鍵塊。一般情況下不切頂時,422回風巷沿空掘巷頂板圍巖結構如圖3所示。

圖3 不切頂沿空掘巷圍巖結構

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

基本頂懸頂長度大、回轉過程中動載擾動程度高。422回風巷上方基本頂為8 m厚的堅硬細砂巖,其完整性好,懸頂長度大。根據面積分攤法,懸頂過長將進一步導致傳遞給煤柱的載荷增加,在回轉下沉至觸矸前采空區矸石無法對基本頂形成有效支撐,回轉過程中形成的附加高應力對下方巷道圍巖的破壞進一步增強,煤柱災變失穩風險性高。

基本頂旋轉下沉量大、周期長。采空區內的矸石未完全垮落,存在較大自由空間,基本頂回轉下沉量大、穩定周期長,巷道圍巖在長期附加高應力環境下會發生蠕變變形,難以實現保證沿空巷道的長期穩定。

2.2 切頂卸壓圍巖控制機理分析

通過對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理。一是切斷采動應力傳遞路徑[16]降低其對側向煤體的損傷擾動,提高沿空掘巷巷道圍巖的強度。二是切頂提高采空區高位直接頂的垮落程度、消除基本頂向采空區旋轉的自由空間,并促使矸石為煤柱提供側向壓力、對高位基本頂形成有效支撐。三是切頂減小巷道上方堅硬基本頂的側向懸頂長度[17],降低基本頂旋轉過程中的動壓影響,改善巷道高應力環境,降低圍巖的非對稱大變形。四是切頂能夠遏制基本頂較大位移的回轉運動,并消除頂板高應力集中與煤柱大變形災變失穩的動壓聯動效應。422回風巷煤柱側堅硬頂板切頂卸壓后圍巖控制效果如圖4所示。結合黃陵二號煤礦實際生產地質條件,422回風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

切頂角度,切頂角度與鉆機施工技術參數、巷道斷面尺寸,頂板巖性特征等有關。切頂角度設計如圖5所示。

圖5 切頂角度設計

切頂應避免對煤柱造成沖擊損傷,保證煤柱能夠穩定承載、基本頂運動過程中不發生滑落失穩。因此,切頂角度β需滿足

(1)

式中,H為基本頂厚度,8.0 m;φ為基本頂關鍵塊間的摩擦角,45°;L為基本頂跨距,16.8 m;M為煤層開采厚度,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,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回風巷煤柱側切頂卸壓方案設計如圖6所示。切頂高度既要使冒落矸石充滿采空區,又要保證基本頂能夠順利切斷,根據綜合柱狀表,確定切頂層位為基本頂細砂巖,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°。結合現場經驗,鉆孔間距為10 m。每個壓裂孔采用倒序法進行壓裂施工共計壓裂4次,壓裂順序為Y1→Y2→Y3→Y4。Y1點距離孔口24.5 m,Y2點距離孔口20 m,Y3點距離孔口14 m,Y4點距離孔口8 m。

圖6 切頂卸壓方案設計

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422回風巷煤柱側水壓致裂后頂板施工窺視鉆孔,利用ZDYG100型鉆孔窺視儀觀測水壓致裂切頂效果,如圖7所示。可以看出,在壓裂點所在區域附近,頂板巖層出現了環向及縱向交錯裂紋,壓裂效果良好。

圖7 頂板壓裂效果

4.2 圍巖變形監測結果分析

利用十字交叉法在422回風巷內布置2個監測測站,分析切頂與未切頂的巷道圍巖變形特征,現場監測結果如圖8所示。

圖8 圍巖變形現場監測

由圖8可知,切頂后圍巖變形在掘進40 d趨于穩定,兩幫最大移近量為148 mm,頂底板移近量最大為174 mm。相比不切頂條件下,巷道掘進穩定時間縮短40%,兩幫移近量降低46%,頂底板移近量降低49%,可以有效控制圍巖變形,確保巷道安全使用。

5 結論

(1)分析了422回風巷大變形原因及煤柱側堅硬頂板切頂卸壓機理,切頂卸壓節理為切斷應力傳遞路徑、減小懸頂長度、改善應力集中。

(2)基于現場實際生產條件,確定了水壓致裂現場施工技術參數,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4個壓裂點。

(3)鉆孔窺視結果表明,高壓水在堅硬巖層內產生大量相互貫通的次生裂隙,巷道頂底板移近量最大為174 mm,兩幫收斂量最大達到148 mm,說明水壓致裂切頂卸壓應用效果良好,圍巖高應力環境得到有效改善,保證了巷道的安全使用。