近距離殘留煤柱下破碎圍巖巷道修復(fù)技術(shù)

劉洪林，呂金星，馬　強(qiáng)

(1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，

江蘇 徐州 221116；3.伊犁新礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 霍城 835200)

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近距離殘留煤柱下破碎圍巖巷道修復(fù)技術(shù)

劉洪林1，2，呂金星1，馬強(qiáng)3

(1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，

江蘇 徐州 221116；3.伊犁新礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 霍城 835200)

針對(duì)近距離煤層開采過程中，殘留煤柱下部巷道在煤柱集中應(yīng)力作用下圍巖破碎程度高、修復(fù)難度大的問題，以山西某礦為工程背景，采用數(shù)值模擬的方法分析煤柱底板應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)合巷道實(shí)際變形特征總結(jié)了下位巷道圍巖變形破壞原因。認(rèn)為：殘留煤柱底板集中載荷的非均勻性分布，及其引起的支護(hù)體承載結(jié)構(gòu)破壞是近距離煤柱底板巷道圍巖發(fā)生大變形的本質(zhì)。由此，提出了基于破碎圍巖注漿和高強(qiáng)度錨桿支護(hù)的巷道修復(fù)技術(shù)，工程實(shí)踐表明該技術(shù)在有效提高圍巖整體性和可錨性的同時(shí)，使淺部錨固區(qū)與深部圍巖相連形成整體承載結(jié)構(gòu)，有效地控制了巷道圍巖變形，保障了礦井安全生產(chǎn)。

殘留煤柱；近距離煤層；破碎圍巖；注漿；數(shù)值模擬

區(qū)段煤柱的留設(shè)，使下區(qū)段平巷避開上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ逯祬^(qū)的同時(shí)，還起到了隔離采空區(qū)有害氣體的作用[1-2]。但是，對(duì)于近距離煤層開采，上部煤層工作面回采結(jié)束后，殘留的區(qū)段煤柱內(nèi)將形成數(shù)倍于原巖應(yīng)力的集中載荷，并向底板深部傳遞，對(duì)煤柱底板巷道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。為利于下部煤層巷道維護(hù)，通常將巷道布置于上部煤層采空區(qū)下方，或巷道位置與上部殘留煤柱保持一定的水平錯(cuò)距，盡可能避開殘留煤柱形成的集中應(yīng)力區(qū)[3-5]。然而，部分礦區(qū)為了提高煤炭資源采出率或因開采條件限制，只能將下位煤層巷道布置在煤柱下方。在殘留煤柱的集中載荷作用下，下部煤層巷道圍巖變形嚴(yán)重，往往要經(jīng)過數(shù)次返修才能滿足生產(chǎn)需要。因此，如何實(shí)現(xiàn)近距離殘留煤柱下部破碎圍巖巷道的有效修復(fù)就成為了一個(gè)影響礦井安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的重要問題。

以山西某礦近距離煤層開采為工程背景，通過對(duì)殘留煤柱底板應(yīng)力分布規(guī)律及圍巖變形破壞原因分析，提出了破碎圍巖注漿與高強(qiáng)度錨桿支護(hù)相結(jié)合的巷道修復(fù)技術(shù)。3101運(yùn)輸平巷良好的修復(fù)效果，驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性和可行性，為類似條件下的巷道修復(fù)技術(shù)開發(fā)提供了參考和借鑒。

1　工程概況

1.1生產(chǎn)地質(zhì)條件

山西某礦為整合礦井，主采的2#、3#煤層平均厚度分別為2.4m和3.2m、傾角0～6°、煤層硬度系數(shù)f為1.5～2.5，礦井采用下行開采。礦井整合前主要采用長(zhǎng)壁采煤法開采2#煤層，區(qū)段之間留設(shè)寬度為18.0m的保護(hù)煤柱。礦井整合后，為提高煤炭資源采出率，3#煤層的工作面布置方向與2#煤層工作面布置方向存在約15°夾角。

3101工作面平均埋深270m，是3#煤層的首采工作面。3101運(yùn)輸平巷從2#煤層201、203工作面之間的殘留煤柱下部穿過，巷道與煤柱的位置關(guān)系如圖1所示。3101運(yùn)輸平巷斷面形狀為矩形，掘進(jìn)斷面尺寸為3.5m×3.2m，2#煤層與3#煤層在斜穿煤柱段的層間距為2.0～5.8m。3101工作面頂?shù)装鍘r層描述如表1所示。

表1　3101工作面煤層頂?shù)装鍘r性

1.2巷道支護(hù)參數(shù)及變形特征

3101運(yùn)輸平巷采用錨網(wǎng)支護(hù)，頂幫錨桿間排距均為900mm×900mm。頂板采用直徑18mm、長(zhǎng)1.8m的螺紋鋼錨桿，兩幫采用直徑16mm、長(zhǎng)1.6m的普通圓鋼錨桿。穿煤柱段每5.0m布置一根直徑15.24mm，長(zhǎng)6.20 m的錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。巷道原支護(hù)參數(shù)見圖2。

圖1　3101運(yùn)輸平巷與煤柱位置關(guān)系

圖2　巷道原支護(hù)參數(shù)(單位：mm)

3101運(yùn)輸平巷掘至煤柱下方時(shí)，圍巖變形速度加劇，變形量急劇增加。兩幫普遍出現(xiàn)煤體鼓出、錨桿托盤被擠掉、鋼筋梯子梁沿焊接處被拉斷等現(xiàn)象，部分巷段出現(xiàn)錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)煤幫整體鼓出的現(xiàn)象。頂板出現(xiàn)不同程度破碎和下沉速度增大，部分巷段出現(xiàn)底鼓的現(xiàn)象。此外，巷道返修架設(shè)的工字鋼棚變形也較大，部分棚腿和棚梁被扭成麻花狀，巷道中間木點(diǎn)柱部分被壓彎、壓斷?，F(xiàn)場(chǎng)拍攝的巷道變形情況如圖3所示。為確保3101綜采工作面的安全高效生產(chǎn)，急需對(duì)3101運(yùn)輸平巷約70m長(zhǎng)圍巖破碎的巷段進(jìn)行修復(fù)。

圖3　巷道變形破壞情況

2　殘留煤柱底板應(yīng)力分布規(guī)律

煤柱底板的應(yīng)力分布與煤柱的應(yīng)力狀態(tài)直接相關(guān)，對(duì)于兩側(cè)均已采空的煤柱，其應(yīng)力分布狀態(tài)主要取決于回采引起的支承壓力影響距離L及煤柱寬度B[2]。根據(jù)煤巖層的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，采用FLAC3D軟件建立數(shù)值分析模型，模型尺寸：x×y×z=178.0 m×30.0 m×69.2 m，左、右邊界x方向位移固定，前、后邊界y方向位移固定，頂部施加6.0MPa均布載荷、底部z方向位移固定。本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb，側(cè)壓系數(shù)為1.0，模型的煤巖體力學(xué)參數(shù)如表2所示。2號(hào)煤層工作面之間留設(shè)寬度18.0m的區(qū)段煤柱，201、203工作面回采以后形成的殘留煤柱底板垂直應(yīng)力分布見圖4。

由圖4可以看出，垂直應(yīng)力在煤柱下方底板巖層一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力增高區(qū)，在采空區(qū)下方底板巖層一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力呈馬鞍形分布。垂直應(yīng)力在底板巖層中的集中系數(shù)約4.15，應(yīng)力傳遞影響角δ約35°。隨深度增加，煤柱集中載荷向底板擴(kuò)散范圍增大，但其影響程度減小。在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力降低量隨深度增加而減小。

表2　煤巖層力學(xué)參數(shù)

圖4　殘留煤柱底板應(yīng)力分布

由圖4及圖5殘留煤柱下方不同距離水平截面應(yīng)力分布曲線，可以得出殘留煤柱底板應(yīng)力分布具有以下規(guī)律。

1) 當(dāng)?shù)装鍘r層與煤柱垂直距離在6.0m以內(nèi)時(shí)，距煤柱邊緣約25m范圍內(nèi)的采空區(qū)底板巖層處于垂直應(yīng)力降低區(qū)，煤柱中心線下方兩側(cè)約7～9m范圍的巖層處于垂直應(yīng)力增高區(qū)。當(dāng)?shù)装鍘r層與煤柱垂直距離在2.0m范圍內(nèi)時(shí)，同一水平截面上的煤(巖)層垂直應(yīng)力呈馬鞍形分布，在煤柱中心線兩側(cè)約6.0m處達(dá)到最大值。隨著底板巖層深度增加，垂直應(yīng)力峰值逐漸減小，位置向煤柱中心移動(dòng)。當(dāng)?shù)装鍘r層與煤柱垂直距離為4.0m時(shí)，垂直應(yīng)力最大值位于煤柱中心正下方。

2) 水平應(yīng)力在煤柱下方巖層中形成增高區(qū)，在距煤柱邊緣約30～40m范圍內(nèi)的采空區(qū)底板巖層中形成降低區(qū)。隨深度的增加，水平應(yīng)力增高區(qū)的峰值和應(yīng)力降低區(qū)的應(yīng)力降低量均逐漸減小。當(dāng)?shù)装鍘r層與煤柱垂直距離在2.0m范圍內(nèi)時(shí)，同一水平截面內(nèi)的水平應(yīng)力最大值位于煤柱中心正下方。當(dāng)?shù)装鍘r層與煤柱垂直距離為4.0m時(shí)，水平應(yīng)力最大值位于煤柱邊緣下方。

3) 煤柱底板同一水平截面內(nèi)，剪切應(yīng)力最小值和最大值分別位于煤柱中心和邊緣正下方巖層中。剪切應(yīng)力以最小值為中心按一定角度向兩側(cè)對(duì)稱分布，其值隨深度的增加而逐漸減小。

可見，3101運(yùn)輸平巷過煤柱段處于垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力的增高區(qū)。煤柱底板應(yīng)力分布具有明顯非均勻性，位于煤柱邊緣正下方時(shí)，剪切應(yīng)力最大；而位于煤柱中心正下方時(shí)，剪切應(yīng)力為0，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力最大。

3　圍巖變形破壞機(jī)理及原因分析

根據(jù)殘留煤柱底板應(yīng)力分布規(guī)律分析，結(jié)合井下觀察結(jié)果，3101運(yùn)輸平巷穿煤柱巷段圍巖變形破壞機(jī)理和巷道返修效果差的原因可總結(jié)如下。

圖5　殘留煤柱底板不同距離水平截面應(yīng)力分布

1)非均勻集中載荷作用。煤柱集中載荷向底板深部傳遞，導(dǎo)致底板應(yīng)力重新分布[5]，并表現(xiàn)出明顯的非均勻性。煤柱兩側(cè)邊緣下方底板水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力集中，在水平應(yīng)力作用下，巷道兩幫煤體向巷道中間鼓出；在剪切應(yīng)力作用下，兩幫煤體沿弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，煤壁破碎區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。煤柱正下方，垂直應(yīng)力和水力應(yīng)力集中，剪切應(yīng)力為0，垂直應(yīng)力作用下，巷道頂板發(fā)生彎曲下沉，垂直應(yīng)力向巷道兩幫的煤體轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致兩幫煤體被擠出。因此，巷道開挖引起的淺部圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改變和非均勻集中載荷作用是殘留煤柱底板巷道圍巖變形和破壞的根本原因。

2)低強(qiáng)度支護(hù)體承載結(jié)構(gòu)破壞。由于埋深較小，煤體硬度系數(shù)適中，巷道初始設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度整體較低。巷道頂?shù)追謩e采用直徑16mm和18mm、長(zhǎng)1.6m和1.8m的普通圓鋼錨桿，錨桿桿體強(qiáng)度較低，加之現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量較差，導(dǎo)致錨桿為圍巖提供的預(yù)緊力較小，圍巖中形成的錨固區(qū)域穩(wěn)定性較差。在殘留煤柱向底板傳遞的非均勻集中載荷作用下，低強(qiáng)度支護(hù)體結(jié)構(gòu)迅速破壞。巷道淺部圍巖承載結(jié)構(gòu)的逐漸破壞，致使巷道圍巖承載能力大幅降低，進(jìn)一步加劇了圍巖的變形。

3)原返修方案缺乏針對(duì)性。3101運(yùn)輸平巷在穿煤柱的圍巖變形初期，兩幫淺部煤體發(fā)生破碎時(shí)，未及時(shí)補(bǔ)打錨桿和上緊已松動(dòng)的錨桿螺母為圍巖提供預(yù)緊力，兩幫基本處于無支護(hù)狀態(tài)，任其變形。當(dāng)巷道進(jìn)行返修時(shí)，采用刷幫架棚支護(hù)的被動(dòng)支護(hù)方式，無法為圍巖提供較大的壓應(yīng)力以調(diào)動(dòng)更大范圍內(nèi)的巖體共同承載。同時(shí)，在初次返修不能有效控制巷道圍巖變形，棚梁、棚腿被壓彎時(shí)，采用單體液壓支柱支護(hù)頂板，更換棚腿、棚梁的二次修復(fù)方式也導(dǎo)致頂板受到頻繁支撐，加劇了頂板活動(dòng)產(chǎn)生離層，頂板下沉、兩幫移近更加嚴(yán)重。

4　破碎圍巖巷道修復(fù)技術(shù)及效果

4.1修復(fù)技術(shù)及參數(shù)

根據(jù)上述分析，可以發(fā)現(xiàn)巷道修復(fù)的關(guān)鍵是重新構(gòu)建圍巖支護(hù)體結(jié)構(gòu)，并使之與深部圍巖變形相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)共同承載。錨桿支護(hù)通過上緊桿體端部螺母，可以為圍巖提供預(yù)緊力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的主動(dòng)支護(hù)，是巷道修復(fù)的理想支護(hù)形式。但是，由于3101運(yùn)輸平巷穿煤柱巷段在煤柱集中載荷作用和多次返修擾動(dòng)下，圍巖破碎范圍大，直接采用錨桿支護(hù)存在可錨性差和不能有效調(diào)動(dòng)深部圍巖整體承載能力的問題?；谧{可以將破碎巖體重新膠結(jié)，在大幅提升破碎圍巖的力學(xué)性能的同時(shí)，還能有效改善錨桿的著力基礎(chǔ)和受力狀況的特點(diǎn)[6-8]。最終確定穿煤柱巷段采用先對(duì)破碎圍巖注漿，再進(jìn)行高強(qiáng)度錨桿支護(hù)的巷道修復(fù)方案。

1)破碎煤巖體注漿參數(shù)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，綜合考慮返修成本和注漿效果，選擇高水速凝材料為巷道返修注漿材料，在理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的基礎(chǔ)上確定注漿參數(shù)。具體參數(shù)：水灰比1.5∶1；頂幫各布置兩個(gè)注漿孔，注漿孔深2.3m，采用42mm風(fēng)鉆打孔、聚氨酯和棉紗封孔，封孔長(zhǎng)度不小于0.3m；注漿壓力1.0～2.0MPa，裂隙開度較大時(shí)不超過1.0MPa；注漿量以注漿壓力達(dá)到2.0MPa時(shí)停止注漿，注漿孔布置如圖6所示。

圖6　錨桿支護(hù)參數(shù)及注漿孔布置情況(單位：mm)

2)高強(qiáng)度錨桿支護(hù)參數(shù)。針對(duì)3101運(yùn)輸平巷穿煤柱巷段圍巖變形破壞的具體情況，經(jīng)數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析確定頂板和兩幫均采用直徑22mm、長(zhǎng)2.0m螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×1800mm，預(yù)緊扭矩不低于220N·m。頂板采用直徑17.8mm、長(zhǎng)7.3m的錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索間排距為1350mm×1800mm，預(yù)緊力不低于30.0MPa。錨桿支護(hù)斷面見圖6。

4.2修復(fù)效果

注漿完畢24h后，采用鉆孔窺視儀對(duì)注漿后的圍巖進(jìn)行觀測(cè)，圖7(a)、圖7(b)分別是頂板2.0m和煤幫1.5m深處的觀測(cè)情況?？梢钥闯?，頂板和兩幫的裂隙中漿液擴(kuò)散均勻，漿液充填圍巖裂隙的同時(shí)將破碎圍巖膠結(jié)成一個(gè)整體，加固效果明顯。

圖7　頂幫注漿效果窺視

為評(píng)價(jià)巷道修復(fù)效果，采用“十字”布點(diǎn)法在修復(fù)巷段布置測(cè)站進(jìn)行監(jiān)測(cè)。修復(fù)后30天內(nèi)，兩幫相對(duì)移近量最大為32mm，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大為25mm；3101工作面采動(dòng)影響期間，兩幫平均變形速度約為15～20mm/d，頂?shù)装迤骄冃嗡俣燃s為10～15mm/d。兩幫相對(duì)移近量最大為351mm，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大為137mm，巷道維護(hù)狀況良好。

5　結(jié)　論

1) 殘留煤柱向底板巖層傳遞的集中載荷呈非均勻性分布，煤柱兩側(cè)邊緣正下方剪切應(yīng)力最大，煤柱中心正下方剪切應(yīng)力為0，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力最大。

2) 近距離殘留煤柱底板巷道圍巖發(fā)生大變形的本質(zhì)是非均勻載荷作用下的支護(hù)體承載結(jié)構(gòu)破

壞。進(jìn)行巷道修復(fù)的關(guān)鍵是重新構(gòu)建圍巖支護(hù)體結(jié)構(gòu)，并使之與深部圍巖變形相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)共同承載。

3) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，采用破碎圍巖注漿和高強(qiáng)度錨桿支護(hù)相結(jié)合的修復(fù)技術(shù)，有效的提高了圍巖整體性和可錨性，使淺部錨固區(qū)與深部圍巖相連形成整體承載結(jié)構(gòu)，可以較好的控制圍巖變形，實(shí)現(xiàn)該類巷道的有效修復(fù)。

[1]侯朝炯.巷道圍巖控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[2]陳炎光，陸士良.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

[3]馬全禮，李洪，白景志.極近距離下位煤層工作面巷道布置及其支護(hù)方式[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34(09)：37-39.

[4]武忠，李日官.極近距離煤層回采巷道布置研究[J].煤礦開采，2002，7(4)：14-15.

[5]張百勝，楊雙鎖，康立勛，等.極近距離煤層回采巷道合理位置確定方法探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(1)：97-101.

[6]張農(nóng)，侯朝炯，陳慶敏.巷道圍巖注漿加固體性能實(shí)驗(yàn)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1998(1)：15-18.

[7]康紅普，馮志強(qiáng).煤礦巷道圍巖注漿加固技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].煤礦開采，2013，18(3)：1-7.

[8]劉洪林，柏建彪，馬述起，等.斷層破碎頂板冒頂巷道修復(fù)技術(shù)研究[J].煤炭工程，2011(4)：76-78.

Roadway repair technology of broken surrounding rock under residual coal pillar for close distance coal seams

LIU Hong-lin1，2，LV Jin-xing1，MA Qiang3

(1.Institute of Geology and Mines Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，China； 2.School of Mines Engineering，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China； 3.Ili Xinkuang Coal Mining Limited Liability Company，Huocheng 835200，China)

Aiming at the problems that underlying surrounding rock of roadway of residual coal pillar was crushed seriously and repaired difficultly，which influenced by the concentrated stress of coal pillar in the process of close distance coal seam mining，basing on the engineering background of a mine in Shanxi province，the stress distribution law of coal pillar floor was analyzed by numerical simulation method and the causes of deformation and failure of surrounding rock were summarized which based on the actual deformation characteristics of roadway.It was found that the concentrated load in the floor of residual coal pillar distributed homogeneously，leading to the destruction of support bearing structure which was the root cause of large deformation of surrounding rock of roadway under coal pillar in close distance coal seams.Therefore，the roadway repair technology composing of grouting reinforced and high strength bolt support for broken surrounding rocks was proposed.The project practice showed that the integrity and anchoring ability of roadway surrounding rocks was improved significantly and the anchorage zones and deep surrounding rocks were connected，so that the deformation of roadway surrounding rock was effectively controlled，and safety production of mine was guaranteed.

residual coal pillar；close distance coal seams；broken surrounding rock；grouting；numerical simulation

2016-07-22

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：2013211B08)

劉洪林(1984-)，男，講師，博士研究生，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，主要從事礦山壓力與巖層控制、保水開采方面的教學(xué)和科研工作。E-mail: liuhonglin@xju.edu.cn。

TD353

A

1004-4051(2016)10-0118-06