近距離煤層預(yù)掘巷道應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)

李建光

（陽(yáng)煤集團(tuán) 山西寧武榆樹(shù)坡煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

應(yīng)力的不斷演變傳遞及高峰的存在是造成已有巷道逐段變形的根本所在[1-2]。尤其是在近距離煤層同時(shí)開(kāi)采的情況下，受重復(fù)采動(dòng)的工作面超前支承壓力的動(dòng)壓作用，造成下山巷道群礦壓顯現(xiàn)劇烈，準(zhǔn)備巷道失穩(wěn)嚴(yán)重，多數(shù)地段需要反復(fù)擴(kuò)刷，嚴(yán)重影響礦井的正常生產(chǎn)并增加了成本投入[3-4]。通常采用的控制巷道圍巖變形方法主要有提高圍巖強(qiáng)度、采取合理的支護(hù)手段及降低圍巖應(yīng)力幾種[5]。但前2種技術(shù)對(duì)于圍巖應(yīng)力高且受重復(fù)采動(dòng)影響應(yīng)力場(chǎng)持續(xù)變化的巷道難以保證圍巖控制效果，而通過(guò)在巷道外新掘巷道，并采取松動(dòng)爆破技術(shù)輔助，可以實(shí)現(xiàn)圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，對(duì)被保護(hù)巷道起到卸壓作用，達(dá)到控制被保護(hù)巷道圍巖變形的目的[6-8]。目前，針對(duì)應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)的應(yīng)用已取得眾多成果，李學(xué)華等[9]針對(duì)高應(yīng)力硐室底鼓嚴(yán)重的問(wèn)題，采取在硐室底板巖層新掘巷道，并對(duì)巷道進(jìn)行合理爆破卸壓，實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。楊敬軒[10]等為實(shí)現(xiàn)工作面煤層卸壓，采取對(duì)工作面液壓支架后方垮落矸石及時(shí)進(jìn)行排放的措施，實(shí)現(xiàn)工作面應(yīng)力集中區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移。鄭西貴[11]等通過(guò)對(duì)圍巖應(yīng)力機(jī)理分析，采取新掘巷道的技術(shù)，將圍巖高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到新掘巷道附近，從而使被保護(hù)巷道具有較好的應(yīng)力環(huán)境。周澤[12]等通過(guò)預(yù)掘回撤通道，切斷工作面超前支承壓力向前方巷道的傳遞，有效減輕采動(dòng)巷道的圍巖應(yīng)力?？梢?jiàn)，雖然應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)在巷道礦壓控制上已經(jīng)取得較多成果，但對(duì)圍巖應(yīng)力高且受重復(fù)采動(dòng)影響應(yīng)力場(chǎng)持續(xù)變化的巷道的應(yīng)力轉(zhuǎn)移機(jī)理分析及技術(shù)的應(yīng)用研究較少，為此，針對(duì)某礦下山群巷道服務(wù)年限較長(zhǎng)，期間要經(jīng)受多次采區(qū)工作面采動(dòng)影響，巷道變形嚴(yán)重的問(wèn)題，提出在工作面停采線附近預(yù)掘巷道應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)，阻斷采面應(yīng)力傳遞及實(shí)現(xiàn)采動(dòng)應(yīng)力均化分布，消除或削弱采動(dòng)對(duì)下山群的影響，為近距離煤層開(kāi)采準(zhǔn)備巷道的卸壓保護(hù)提供借鑒。

1 工程概況

2#、3#煤層是某煤礦主采煤層，其垂直間距平均為7.57 m?；夭赏戤叺墓ぷ髅嫱２删€均按留設(shè)30 m煤柱尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。2#、3#煤層埋深僅200 m左右，下山群巷道處于淺部環(huán)境，鄰近巷道工程應(yīng)力擾動(dòng)并非下山群巷道變形和破壞的主要因素，其變形和破壞主要原因是由于2#、3#煤層屬于同采煤層，且垂直間距較小，工作面錯(cuò)距難以拉開(kāi)，下山群巷道會(huì)在短時(shí)間內(nèi)受到回采工作面超前支承壓力的強(qiáng)烈影響，有的區(qū)域甚至受到采動(dòng)疊加影響，且前期巷道變形失穩(wěn)已大大降低其承載能力，強(qiáng)烈的采動(dòng)影響使得巷道圍巖極度破碎，松動(dòng)圈范圍顯著擴(kuò)大，支護(hù)系統(tǒng)趨于失效。隨著3107工作面回采，重復(fù)采動(dòng)應(yīng)力對(duì)本已破碎的巷道圍巖影響勢(shì)必更加劇烈，如果達(dá)到原設(shè)計(jì)部門的停采線位置，勢(shì)必對(duì)3條下山的影響更為劇烈，工作面與巷道群的相對(duì)位置如圖1。因此，需在工作面與巷道群之間開(kāi)掘卸壓巷道實(shí)現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移護(hù)巷。

圖1 工作面與下山巷道群位置關(guān)系

2 預(yù)掘卸壓巷道應(yīng)力轉(zhuǎn)移機(jī)理分析

煤層開(kāi)采以后，采空區(qū)上部巖層質(zhì)量將向采空區(qū)周圍新的支承點(diǎn)轉(zhuǎn)移，從而在采空區(qū)四周形成支承壓力帶[13-14]。工作面前方形成超前支承壓力，隨著工作面推進(jìn)而向前移動(dòng)，與原巖應(yīng)力rH相比，可將采場(chǎng)超前支承壓力分為以下4個(gè)區(qū)域：支承壓力降低區(qū)、支承壓力升高區(qū)、支承壓力二次降低區(qū)以及支承壓力近似γH的應(yīng)力區(qū)。其中超前支承壓力升高區(qū)動(dòng)壓顯現(xiàn)使下山群維護(hù)難度加大。

2.1 超前支承壓力峰值確定

煤體承載能力跟煤體寬度成正比，煤體越寬，煤體承載能力越強(qiáng)，因此，在一定煤體寬度內(nèi)，煤體承載能力與采場(chǎng)超前支承壓力存在著極限平衡狀態(tài)，根據(jù)巖體極限平衡理論[15]，極限平衡狀態(tài)下的超前支承壓力σy可以按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：N0為煤層自撐力，N0=τ0cotφ；τ0為垂直應(yīng)力；m為煤層回采厚度；φ為煤體內(nèi)摩擦角；f為摩擦系數(shù)，f=0.5；ξ為三軸壓力系數(shù)x為距煤體邊緣的距離。

通過(guò)式（1）可知：在極限平衡條件下的工作面超前支承壓力與頂板煤體的自撐力及煤層邊緣距離成正比，因此，針對(duì)工作面前方受其超前支承壓力影響破壞變形的巷道，在對(duì)工作面距前方巷道一定距離內(nèi)，新掘卸壓巷道對(duì)頂板進(jìn)行強(qiáng)制切頂，以切斷回采工作面超前支承壓力傳遞，減輕超前支承壓力對(duì)前方巷道的影響。

2.2 超前支承壓力轉(zhuǎn)移分析

1）卸壓巷距離回采工作面較遠(yuǎn)時(shí)，卸壓巷不在回采引起的超前支承壓力影響范圍內(nèi)，卸壓巷距回采工作面較遠(yuǎn)時(shí)應(yīng)力分布示意圖如圖2。圖2中卸壓巷兩側(cè)煤體深部的應(yīng)力集中是由巷道掘進(jìn)后周圍應(yīng)力重新分布導(dǎo)致的，且應(yīng)力基本上沿卸壓巷中線對(duì)稱分布，工作面煤壁前方的應(yīng)力集中是由回采產(chǎn)生的超前支承壓力導(dǎo)致的，此時(shí)工作面與卸壓巷之間存在原巖應(yīng)力區(qū)。

圖2 卸壓巷距回采工作面較遠(yuǎn)時(shí)應(yīng)力分布示意圖

2）卸壓巷距離回采工作面較近時(shí)，隨著工作面的向前推進(jìn)，回采引起的超前支承壓力逐漸對(duì)卸壓巷周圍應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，巷道應(yīng)力與超前支承壓力逐漸疊加，兩者之間的原巖應(yīng)力區(qū)消失，卸壓巷道左側(cè)應(yīng)力也將持續(xù)加大，動(dòng)壓對(duì)巷道的影響越來(lái)越強(qiáng)烈，該礦3107工作面繼續(xù)回采推進(jìn)時(shí)卸壓巷內(nèi)外側(cè)應(yīng)力分布如圖3。

圖3 卸壓巷距回采工作面接近時(shí)應(yīng)力分布示意圖

3）卸壓巷與工作面即將貫通時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)至卸壓巷道附近，兩者之間的煤體所承受支承壓力超過(guò)其承載能力時(shí)，巷道右側(cè)煤體被破壞，承載能力急劇降低，支承壓力逐漸向卸壓巷左側(cè)煤體轉(zhuǎn)移，巷道左側(cè)煤體的應(yīng)力逐漸超過(guò)右側(cè)。卸壓巷與工作面即將貫通時(shí)卸壓巷兩側(cè)應(yīng)力分布如圖4。

圖4 卸壓巷與工作面即將貫通時(shí)應(yīng)力分布示意圖

2.3 頂板松動(dòng)爆破應(yīng)力轉(zhuǎn)移

頂板松動(dòng)爆破切頂實(shí)現(xiàn)圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移是通過(guò)松動(dòng)爆破產(chǎn)生的圍巖弱化區(qū)而實(shí)現(xiàn)的[16]。巷道圍巖未發(fā)生劇烈變形前，在巷道頂板中布置鉆孔，并在鉆孔底部裝藥進(jìn)行藥壺爆破，使巷道底頂承受掘巷引起的高應(yīng)力圍巖因藥壺爆破破碎而卸載，在巷道頂板中產(chǎn)生圍巖一定范圍的圍巖弱化區(qū)，減小卸壓巷頂板的自撐力，將兩幫和頂板中較高的集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖較深部，在預(yù)掘巷道周圍形成應(yīng)力降低區(qū)，被保護(hù)巷道圍巖在一定時(shí)間內(nèi)應(yīng)力較低，使巷道圍巖變形減?。煌瑫r(shí)，爆破形成破碎區(qū)后又可吸收圍巖一部分變形，保持巷道穩(wěn)定。

3 預(yù)掘卸壓巷道

采場(chǎng)遠(yuǎn)距離卸壓保護(hù)技術(shù)是在工作面前方煤層內(nèi)開(kāi)掘出1條卸壓巷以切斷超前支承壓力向保護(hù)下山巷道群的傳遞，從而減小被保護(hù)下山巷道群的圍巖應(yīng)力。但由于2#、3#煤層為近距離煤層，回采過(guò)程中形成的應(yīng)力峰值會(huì)隨著工作面的推進(jìn)而向前傳遞，預(yù)掘卸壓巷要承受二次采動(dòng)影響。因此，單獨(dú)依靠提高支護(hù)強(qiáng)度及支護(hù)材料性能的做法難以有效控制其卸壓巷圍巖的變形破壞。因此，在卸壓巷內(nèi)施行“錨-讓”一體支護(hù)體系，通過(guò)在被保護(hù)巷道兩幫每2排錨桿中間，4個(gè)錨桿孔中間鉆進(jìn)1個(gè)直徑約130~200 mm卸壓鉆孔，使應(yīng)力峰值向深部圍巖傳遞，人為制造大范圍的低應(yīng)力區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)卸壓巷圍巖的保護(hù)。

以3#煤3107工作面為工程試驗(yàn)對(duì)象對(duì)卸壓巷道支護(hù)體系進(jìn)行展開(kāi)，3107工作面卸壓巷斷面為矩形，巷道斷面尺寸3.2 m×2.6 m，高度均預(yù)留200~300 mm變形量。頂板采用規(guī)格φ22-M24-2 200 mm錨桿4根，間排距900 mm×900 mm，錨桿桿體為左旋無(wú)縱筋螺紋鋼；錨索規(guī)格為φ17.8 mm×5 100 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線；布置成“2121”形式的走向錨索梁，邁步距離2 000 mm，排距1 000 mm；回采側(cè)幫部錨桿為3根φ18-M22-1800 mm，間排距750 mm×800 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼桿體；錨索規(guī)格為φ17.8 mm×4 100 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線；非回采側(cè)幫部錨桿為3根φ20-M22-2 000 mm，間排距900 mm×900 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼桿體；錨索規(guī)格為φ17.8 mm×4 100 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，全斷面錨桿索布置圖如圖5。

圖5 全斷面錨桿索布置圖

4 深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制切頂應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)

運(yùn)用工作面超前支承應(yīng)力分布及應(yīng)力轉(zhuǎn)移理論研究，研究適用于下山群控制的應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)。主要針對(duì)預(yù)掘巷道頂板進(jìn)行強(qiáng)制切頂，使卸壓巷能夠充分卸壓，實(shí)現(xiàn)下山群應(yīng)力轉(zhuǎn)移，綜合考慮預(yù)掘巷道的地質(zhì)條件及超前支承壓力相關(guān)情況，鉆孔布置方式采用“2-1-2”的布置方式。

4.1 多炮孔的基本參數(shù)

4.1.1 炮孔和藥卷直徑

對(duì)于卸壓巷深孔預(yù)裂松動(dòng)爆破來(lái)說(shuō)，爆擴(kuò)空腔體積越大，卸壓和應(yīng)力轉(zhuǎn)移的效果也越明顯。同時(shí)，爆破產(chǎn)生的裂隙區(qū)范圍越大，地應(yīng)力的釋放也越充分。因此采用大孔徑深孔爆破。爆擴(kuò)空腔體積與炮孔直徑呈正比關(guān)系，但由于受現(xiàn)場(chǎng)和施工工具條件的限制，本次設(shè)計(jì)炮孔直徑為75 mm，特制炸藥藥卷直徑60 mm，卸壓巷兩側(cè)均采用SGZ-ⅢA-150型鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

4.1.2 炮孔間距

當(dāng)炮孔與工作面平行時(shí)，根據(jù)斷裂力學(xué)理論，得到卸壓巷深孔預(yù)裂松動(dòng)爆破炮孔間距公式：

式中：K為調(diào)整系數(shù)，一般取10~15，當(dāng)巖石的堅(jiān)硬程度較高時(shí)取小值，當(dāng)其堅(jiān)硬程度較低時(shí)取大值；rb為炮孔半徑；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)。

根據(jù)該礦卸壓巷的地質(zhì)條件，調(diào)整系數(shù)K取12，炮孔半徑為37.5 mm，頂板巖石的普氏系數(shù)取4，可計(jì)算炮孔間距約為715 mm。

4.1.3 炮眼排距

由于爆破時(shí)炮孔之間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，有利于形成貫通性裂隙，致使巖石更加破碎，所以炮孔排距要小于炮孔間距，設(shè)計(jì)采用以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行炮孔排距的計(jì)算：

式中：m為炮孔密集系數(shù)，一般取0.4~0.6。

此時(shí)，若炮孔密集系數(shù)取0.6，可計(jì)算炮孔排距為429 mm。根據(jù)炮孔實(shí)際的2個(gè)炮孔的影響范圍，要適當(dāng)增大炮孔的間排距，這樣爆炸應(yīng)力波才不會(huì)因“碰頭”而相互削弱形成裂隙區(qū)的作用，因此，設(shè)計(jì)眼間排距分別為1 500 mm、2 000 mm。

4.2 3107工作面卸壓巷卸壓鉆孔布置

回采側(cè)：3107工作面走向長(zhǎng)度約為140 m，共開(kāi)掘10對(duì)（20個(gè)）卸壓鉆孔，自左向右依次進(jìn)行編號(hào)，相鄰2對(duì)鉆孔間距為15 m。其中，1#~4#鉆孔的方位角指向上煤巷側(cè)，其余16個(gè)鉆孔的布置參數(shù)均相同。非回采側(cè)：共開(kāi)掘11個(gè)水平方向的卸壓鉆孔，自左向右依次布置，水平間距為12 m，卸壓巷卸壓鉆孔布置圖如圖6。回采側(cè)卸壓鉆孔技術(shù)參數(shù)明細(xì)見(jiàn)表1。非回采側(cè)11個(gè)卸壓鉆孔技術(shù)參數(shù)相同，方位角均為 110°，傾角 0°，孔深 17.5 m，孔徑為 75 mm。

5 工程應(yīng)用效果分析

圖6 卸壓巷卸壓鉆孔布置圖

表1 回采側(cè)卸壓鉆孔技術(shù)參數(shù)明細(xì)表

利用KJ-26工作面采場(chǎng)應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)輸下山應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在一采區(qū)運(yùn)輸下山813 m處（正對(duì)2109工作面中部位置）設(shè)置采動(dòng)附加應(yīng)力場(chǎng)監(jiān)測(cè)測(cè)站，以5 m間隔施工鉆孔，應(yīng)力計(jì)直徑為29 mm，采用配備42 mm鉆頭的150鉆機(jī)施工，共布置6個(gè)孔，編號(hào)1#~6#，每個(gè)測(cè)站鉆孔深度分別為 3、6、9、l2、15、18 m。鉆孔布置形式如圖 7。

本次監(jiān)測(cè)的起止時(shí)間為2017年8月4日16:00至2017年8月26日18:00，監(jiān)測(cè)期間，3107工作面與下山群之間的距離尚遠(yuǎn)，2109工作面的回采已經(jīng)回采至停采線附近。通過(guò)對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集可知：在對(duì)2109工作面回采引起的采動(dòng)附加應(yīng)力場(chǎng)監(jiān)測(cè)的19 d內(nèi)，8月4日至8月21日，一采區(qū)運(yùn)輸下山測(cè)站所有深度的鉆孔應(yīng)力計(jì)的壓力增量均為0 MPa，僅在8月22日2109工作面回采至停采線時(shí)，5#孔的應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)增量值為0.5 MPa，6#孔的應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)增量值為1 MPa，其余應(yīng)力計(jì)沒(méi)有檢測(cè)到應(yīng)力增量，即沒(méi)有采動(dòng)附加應(yīng)力場(chǎng)傳播到所設(shè)置的測(cè)站處。2109工作面直至停采為止，6#鉆孔應(yīng)力計(jì)距離工作面為12 m，5#鉆孔應(yīng)力計(jì)距離工作面15 m，表明2109工作面開(kāi)采引起的采動(dòng)附加應(yīng)力場(chǎng)向前傳播的距離小于15 m。一采區(qū)運(yùn)輸下山巷道的穩(wěn)定沒(méi)有受到2109工作面與3107工作面回采的影響。導(dǎo)致上述結(jié)果出現(xiàn)的原因主要有以下2個(gè)：一是2#煤層與3#煤層均為薄煤層，且3107工作面距離停采線尚遠(yuǎn)，回采引起的超前支承壓力強(qiáng)度較低，且傳播范圍?。欢窃?107工作面停采線附近新掘卸壓巷道及實(shí)行深孔爆破卸壓，一定程度上切斷超前支承壓力向下山巷道群的傳遞。

圖7 測(cè)站鉆孔布置形式

6 結(jié)論

1）通過(guò)采取預(yù)掘卸壓巷及深孔爆破卸壓技術(shù)，一定程度上切斷回采工作面超前支承壓力傳遞，且形成圍巖弱化區(qū)，減輕超前支承壓力對(duì)前方巷道的影響，使下山群圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移，從而保證下山群圍巖穩(wěn)定性。

2）在卸壓巷內(nèi)施行“錨-讓”一體支護(hù)體系，使應(yīng)力峰值向深部圍巖傳遞，人為制造大范圍的低應(yīng)力區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)卸壓巷圍巖的保護(hù)。

3）通過(guò)采動(dòng)應(yīng)力的在線測(cè)試系統(tǒng)可知：采動(dòng)附加應(yīng)力場(chǎng)向前傳播的距離小于15 m，一采區(qū)運(yùn)輸下山巷道的穩(wěn)定受到2109工作面與3107工作面回采的影響較小，表明通過(guò)預(yù)掘卸壓巷及深孔爆破實(shí)現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移保護(hù)下山群是可行的。