孤島工作面窄煤柱臨空巷道動(dòng)壓影響下圍巖控制技術(shù)研究

李建偉 宋剛 劉世超 楊藝帆 郭寧

摘? 要：孤島工作面由于高應(yīng)力存在，容易造成巷道、工作面大變形等問(wèn)題。以山西晉煤集團(tuán)翼城晟泰青洼煤業(yè)2102工作面為工程背景，為解決青洼煤業(yè)生產(chǎn)接續(xù)的問(wèn)題，擬采用水力壓裂技術(shù)對(duì)青洼煤業(yè)2103工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)行切頂卸壓，通過(guò)FLAC3D軟件模擬不同切頂高度情況下對(duì)煤柱及巷道圍巖的影響，選出合理的切頂高度;并分析2102工作面新掘進(jìn)風(fēng)順槽在新提出的支護(hù)方案下巷道的圍巖變形情況，驗(yàn)證方案的合理性。通過(guò)方案的實(shí)施和監(jiān)測(cè)，證明切頂卸壓可切斷采空區(qū)頂板與留巷頂板間的應(yīng)力傳遞，削弱采空區(qū)側(cè)上覆巖層對(duì)2102工作面進(jìn)風(fēng)順槽產(chǎn)生的附加應(yīng)力，達(dá)到控制巷道變形以及維護(hù)其穩(wěn)定性的目的。

關(guān)鍵詞：動(dòng)壓巷道;切頂卸壓;水力壓裂;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）05-0001-07

Abstract： Because of the high stress in the island working face， it is easy to cause large deformation of roadway and working face. Jin coal group in Shanxi Yicheng Shengtai Qingwa Coal 2102 working face as the engineering background， in order to solve the problems of the green depression in place of coal production， proposed using hydraulic fracturing technology to relieve 2103 mining face of Qingwa coal transport gateway roof. By FLAC3D， it is supposed to simulate different top height cases of coal pillars and the influence of the surrounding rock of roadway， select reasonable cut top height; the surrounding rock deformation of the roadway under the newly proposed support scheme for the wind chute of 2102 working face is analyzed to verify the rationality of the scheme.Through the implementation and monitoring of the scheme， it is proved that the stress transfer between the goaf roof and the retaining roadway roof can be cut off by cutting the pressure， and the additional stress generated by the overlying strata on the goaf side to the inlet channel of 2102 working face can be weakened， so as to control the roadway deformation and maintain its stability.

Keywords： dynamic pressure tunnel; cutting top pressure relief; hydraulic fracturing; the numerical simulation

引言

受相鄰工作面回采所產(chǎn)生動(dòng)壓的影響，孤島工作面的煤體易發(fā)生破碎，加劇了巷道的支護(hù)難度，同時(shí)受本工作面自身回采的影響，巷道將受到本工作面超前支承壓力以及相鄰工作面?zhèn)认蛑С袎毫ΟB加雙重影響，巷道支護(hù)更加困難，極容易導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生較大變形，對(duì)工作面回采安全性形成威脅[1]。本文針對(duì)青洼煤業(yè)2102工作面臨空巷道受較大壓力產(chǎn)生大變形的問(wèn)題，提出通過(guò)水力壓裂技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行卸壓，削弱或消除2102工作面進(jìn)風(fēng)順槽所受的附加應(yīng)力。

1 工程概況

青洼煤業(yè)位于山西省臨汾市翼城縣西閆鎮(zhèn)十河村，其中2102工作面標(biāo)高957～1019m，地面標(biāo)高為1194.7～1235.4m，覆蓋層厚度約216.4～237.7m，2102工作面西南側(cè)為已開采的2101工作面，西北側(cè)為開采完成的2103第一工作面，東北側(cè)為將要開采的2103第二工作面，工作面2102為工作面2103生產(chǎn)接續(xù)做準(zhǔn)備，工作面位置圖如圖1所示。

新掘進(jìn)風(fēng)順槽受2103工作面的回采影響，使巷道圍巖應(yīng)力急劇增高，引起圍巖應(yīng)力再一次重新分布，巷道圍巖周邊應(yīng)力集中程度更高。新掘進(jìn)風(fēng)順槽受二次動(dòng)壓影響，應(yīng)力的反復(fù)擾動(dòng)使圍巖變形比僅受一次采動(dòng)影響時(shí)更加強(qiáng)烈。

2 動(dòng)壓巷道圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

2102工作面進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)以后，改變了巷道圍巖的原始應(yīng)力狀態(tài)，引起圍巖應(yīng)力的重新分布，在巷道圍巖內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中。在2103工作面回采時(shí)，隨著工作面頂板的垮落和上覆巖層的移動(dòng)，采空區(qū)上部巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)移，破壞了新掘進(jìn)風(fēng)順槽周圍應(yīng)力場(chǎng)的平衡，引起其圍巖的應(yīng)力狀態(tài)重新分布，隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，采空區(qū)頂板懸露面積不斷增大，由于礦山壓力的影響，會(huì)引起頂板各巖層彎曲下沉變形，直到巖層受到的載荷超過(guò)其自身的強(qiáng)度極限時(shí)引起垮落，可將采空區(qū)側(cè)向頂板巖層的垮落近似為平面問(wèn)題，即形成采空區(qū)側(cè)向懸臂結(jié)構(gòu)，采空區(qū)側(cè)向懸臂結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

為減弱2102工作面進(jìn)風(fēng)順槽受2103工作面回采時(shí)的應(yīng)力擾動(dòng)，進(jìn)一步控制巷道的圍巖變形，對(duì)2103工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)行切頂卸壓，巷道卸壓可切斷關(guān)鍵巖梁，減弱側(cè)向應(yīng)力的傳遞，降低回采工作面覆巖向相鄰工作面的荷載轉(zhuǎn)移比例。

2.1 切頂卸壓技術(shù)理論

切頂卸壓措施可改善頂板的冒落性[2]，降低回采工作面覆巖向相鄰工作面的荷載轉(zhuǎn)移比例，從而達(dá)到減輕巷道變形、破壞的目的。目前常用的切頂措施有預(yù)裂爆破和水力壓裂技術(shù)[3-7]。

預(yù)裂爆破切頂卸壓是通過(guò)爆破方法實(shí)現(xiàn)在回采巷道沿采空區(qū)處頂板處切一條縫，回采完成后，在礦山壓力的作用下回采巷道頂板會(huì)在切縫處斷開，形成一個(gè)面，回采巷道與采空區(qū)的動(dòng)力傳動(dòng)就會(huì)消失，孤島工作面頂板不會(huì)受采空區(qū)動(dòng)壓影響[8]。水力壓裂是指裂紋由于其內(nèi)部液體壓力的作用而開裂并擴(kuò)展的過(guò)程，水力壓裂作業(yè)包含兩種應(yīng)用目的：一種應(yīng)用是控制煤礦堅(jiān)硬頂板的冒落;另一種是釋放礦山壓力，防治沖擊地壓[9]。

根據(jù)青洼煤業(yè)生產(chǎn)地質(zhì)條件，選用水力壓裂的方法對(duì)頂板進(jìn)行卸壓。如何控制水力切縫的位置以及切頂厚度是切頂卸壓技術(shù)的關(guān)鍵。采用水力壓裂方法進(jìn)行切頂卸壓時(shí)，應(yīng)該控制好切頂高度、切頂角度。

3 切頂留巷圍巖應(yīng)力數(shù)值模擬分析

為了合理地進(jìn)行采空區(qū)側(cè)切頂卸壓工程的設(shè)計(jì)和施工，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)采空區(qū)側(cè)切頂卸壓，通過(guò)模擬不同切頂高度的卸壓效應(yīng)以及切頂過(guò)程中圍巖的應(yīng)力和塑性區(qū)變形，得出合理的切頂高度，分析巷道移近量的變化及塑性區(qū)的演變，得出合理的支護(hù)參數(shù)。根據(jù)青洼煤業(yè)生產(chǎn)地質(zhì)條件與巷道布置位置關(guān)系，建立如圖3所示的數(shù)值計(jì)算立體模型，模型尺寸（長(zhǎng)×寬×高）確定為：588m×588m×45m，模型上部邊界垂直應(yīng)力按深度220m、容重25kN/m3考慮，為5.5MPa。

3.1 有無(wú)切頂卸壓模擬結(jié)果

針對(duì)未進(jìn)行切頂和切頂情況下，動(dòng)壓巷道圍巖垂直應(yīng)力演化規(guī)律進(jìn)行分析，分析兩種情況下工作面前方5m處煤柱及巷道的垂直應(yīng)力，通過(guò)在巷道頂板和煤柱上方設(shè)置測(cè)線，繪制圍巖應(yīng)力變化曲線。

如圖4所示，未進(jìn)行切頂時(shí)，煤柱上方的應(yīng)力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，由6MPa上升至12MPa，應(yīng)力集中系數(shù)由1增加到2.1，由于受到工作面回采，靠近采空區(qū)一側(cè)的應(yīng)力大于靠近新巷側(cè)應(yīng)力;對(duì)2103工作面煤柱側(cè)進(jìn)行切頂，在煤柱側(cè)頂板內(nèi)部形成了一定的卸壓區(qū)，應(yīng)力進(jìn)行小范圍的轉(zhuǎn)移，煤柱上方應(yīng)力基本處于一條直線上，應(yīng)力大小為7MPa，集中系數(shù)為1.2，表明切頂產(chǎn)生了明顯的作用效果，使新巷側(cè)煤柱應(yīng)力得到降低，煤柱側(cè)承載能力得到提高，優(yōu)化了新掘巷道附近區(qū)域的圍巖應(yīng)力環(huán)境。

3.2 不同切頂高度的卸壓效應(yīng)

根據(jù)青洼煤業(yè)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和已有設(shè)備，現(xiàn)以50°為切頂角度研究不同切頂高度的卸壓效應(yīng)，在數(shù)值模擬過(guò)程中共設(shè)計(jì)了5種不同的模擬方案，即7m切頂、9m切頂、11m切頂、13m切頂、15m切頂。分別建立5個(gè)不同切頂計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)比不同切頂高度下沿空巷道的圍巖應(yīng)力分布的特征，從而得出在2103工作面工程地質(zhì)條件下的合理水力壓裂切頂高度。

（1）切頂7m方案

根據(jù)圖5中巷道圍巖變形云圖，在工作面開挖后超前5m處，切縫巷道實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫較近，約2.0m，垂直應(yīng)力最大值13MPa，巷道上方一定范圍內(nèi)存在較明顯的卸壓區(qū)，垂直應(yīng)力平均值約8MPa。

（2）切頂9m方案

根據(jù)圖6中巷道圍巖變形云圖，在工作面開挖后超前5m處，切縫巷道實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫較近，約3.0m，垂直應(yīng)力最大值12MPa，巷道上方一定范圍內(nèi)存在較明顯的卸壓區(qū)，垂直應(yīng)力平均值約8MPa。

（3）切頂11m方案

根據(jù)圖7中巷道圍巖變形云圖，在工作面開挖后超前5m處，切縫巷道實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫較近，約2.0m，垂直應(yīng)力最大值13MPa，巷道上方一定范圍內(nèi)存在較明顯的卸壓區(qū)，垂直應(yīng)力平均值約6MPa。

（4）切頂13m方案

根據(jù)圖8中巷道圍巖變形云圖，在工作面開挖后超前5m處，13m切縫巷道實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫較近，約3.0m，垂直應(yīng)力最大值12MPa，巷道上方一定范圍內(nèi)存在較明顯的卸壓區(qū)，垂直應(yīng)力平均值約9MPa。

（5）切頂15m方案

根據(jù)圖9中巷道圍巖變形云圖，在工作面開挖后超前5m處，15m切縫巷道實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫較近，約5.0m，垂直應(yīng)力最大值14MPa，巷道上方一定范圍內(nèi)存在較明顯的卸壓區(qū)，垂直應(yīng)力平均值約8MPa。

由圖10可知，在切頂角度一樣的情況下，切頂高度不同使切頂位置發(fā)生變化，切頂越高切頂位置離老巷越遠(yuǎn)，切頂高度由7m增加到13m時(shí)，切頂位置位于煤柱靠近老巷一側(cè)，切頂之后，卸壓應(yīng)力減小，使新巷側(cè)煤柱應(yīng)力降低，減小新巷的破壞，保障工人施工安全，但當(dāng)高度增加到15m時(shí)，切頂位置較靠近新巷側(cè)，新巷側(cè)的切頂效果反而降低。

綜上所述，切頂可改善新巷圍巖應(yīng)力環(huán)境，7m、9m、11m、13m、15m五種不同切頂高度均可切斷采空區(qū)頂板與留巷頂板間的應(yīng)力傳遞，有明顯的卸壓效果，隨著切頂高度的增加，頂板垮落更加充分，煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中程度得到緩解，當(dāng)切頂高度達(dá)到一定高度后，改善作用呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。根據(jù)2103工作面覆巖性質(zhì)、理論計(jì)算的結(jié)果及數(shù)值模擬，最優(yōu)的切頂高度應(yīng)選擇13m。

4 新掘巷道支護(hù)方案數(shù)值模擬

由于新掘進(jìn)風(fēng)順槽從掘進(jìn)以后到報(bào)廢之前，將經(jīng)歷上工作面2103和本區(qū)段2102工作面兩次采動(dòng)影響，巷道圍巖在受到應(yīng)力重新分布影響的過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的變形，因此巷道的支護(hù)尤為重要。根據(jù)上述理論計(jì)算與數(shù)值模擬確定的13m切頂高度和初步預(yù)計(jì)50°的切頂角度，提出新支護(hù)方案，對(duì)新掘巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬，驗(yàn)證方案的合理性。

支護(hù)方案：

頂板錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，每排2根錨索，間距2400mm，排距2400mm，搭配鋼筋托梁與經(jīng)緯網(wǎng)，端頭錨固;每排6根錨桿，間距800mm，排距800mm，加長(zhǎng)錨固。兩幫采用錨桿支護(hù)，每排錨桿數(shù)量3根，間距800mm，排距800mm，搭配經(jīng)緯網(wǎng)，加長(zhǎng)錨固，見圖11。

2102回采工作面切頂卸壓后，對(duì)巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)并且觀測(cè)該方案在工作面超前5m產(chǎn)生的效果，即頂板圍巖垂直位移量、底鼓量、煤柱幫和工作面幫水平位移量，變形量見表1。

通過(guò)觀察2102工作面新掘巷道在回采期間巷道變形數(shù)據(jù)，可知該支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖起到一定的作用，但在2102工作面回采的超前段應(yīng)注意合理超前支護(hù)以及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

5 工程實(shí)踐

5.1 施工要求

巷道鉆孔施工及壓裂施工由內(nèi)向外依次進(jìn)行作業(yè)，先打鉆，壓裂施工滯后進(jìn)行，鉆孔施工完畢后，用靜壓水清洗鉆孔，然后利用窺視儀對(duì)鉆孔進(jìn)行窺視，確定預(yù)裂縫的位置。

壓裂鉆孔位置開在老巷頂板，距煤柱側(cè)巷幫1m。距巷道頂板13m，孔徑56mm，沿老巷頂板處施工，孔間距5m，孔深17m，與巷道軸向垂直，與巷道水平夾角50°，同時(shí)留出封孔器的長(zhǎng)度，壓裂采用倒退式壓裂，每隔5m壓1次。壓裂時(shí)間暫定30min，根據(jù)水壓變化和巖層出水情況調(diào)整，鉆孔布置圖如圖12所示。

5.2 切頂卸壓監(jiān)測(cè)效果分析

為了更加準(zhǔn)確地分析2102工作面回采期間水力切頂卸壓對(duì)新掘巷道壓力顯現(xiàn)的效果，工作面水壓壓裂工程施工完畢后，需采取有效的檢驗(yàn)方法對(duì)壓裂效果進(jìn)行檢驗(yàn)[11]。巷道的變形量是巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境的直觀體現(xiàn)[12]，通過(guò)在2102工作面進(jìn)風(fēng)順槽30m、60m、90m布設(shè)表面位移觀測(cè)點(diǎn)，連續(xù)50多天對(duì)巷道變形量進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖13。

由圖13可知，2102工作面進(jìn)風(fēng)順槽在多重動(dòng)壓影響下，巷道的不同位置均出現(xiàn)了一定程度的收縮變形，巷道在前35d內(nèi)變形量較大，在35d過(guò)后就逐漸趨于穩(wěn)定，且兩幫的變形量控制在130～170mm，頂?shù)装逡平靠刂圃?40～300mm，巷道的變形得到有效控制。表明水力壓裂切頂卸壓可切斷采空區(qū)頂板與留巷頂板間的應(yīng)力傳遞，削弱采空區(qū)側(cè)上覆巖層對(duì)2102工作面進(jìn)風(fēng)順槽產(chǎn)生的附加應(yīng)力，起到了良好的卸壓護(hù)巷效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)青洼煤業(yè)2103工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)行切頂卸壓，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究，得出切頂可改善新巷圍巖應(yīng)力環(huán)境，有效切斷采空區(qū)頂板與留巷頂板間的應(yīng)力傳遞，有明顯的卸壓效果，隨著切頂高度的增加，頂板垮落更加充分，煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中程度得到緩解，實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定。通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，切頂卸壓技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，消除煤礦生產(chǎn)所存在的安全隱患[13]，所以研究該技術(shù)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)、服務(wù)社會(huì)意義重大，可以為煤礦的生產(chǎn)提供一定的借鑒，為進(jìn)一步研究切頂卸壓技術(shù)作鋪墊。

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