大采高工作面復(fù)雜應(yīng)力擾動下切頂卸壓沿空留巷技術(shù)

王文林，馬 賽

(1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006；2.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

切頂卸壓是指提前在巷道內(nèi)側(cè)布置鉆孔，并利用聚能爆破、高壓水致裂等方法對工作面頂板進(jìn)行超前預(yù)裂，使頂板沿預(yù)定方向產(chǎn)生切縫，隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)頂板周期性來壓，巷道內(nèi)側(cè)頂板沿切縫垮落，從而切斷或減小巖梁傳遞到相鄰煤體上的力，達(dá)到卸壓的目的[1-4]。何滿潮院士[5]提出了無煤柱自成巷“110”工法，此法采用恒阻錨索對巷道頂板加強(qiáng)支護(hù)，回采前對巷道正幫側(cè)頂板定向預(yù)裂，待工作面推過后，在礦山壓力的作用下，頂板沿預(yù)裂切縫自動切落形成巷幫，作為下一個工作面的回采巷道二次復(fù)用，實現(xiàn)了一個工作面掘進(jìn)一條巷道的無煤柱開采。程蓬[6]針對堅硬頂板難以及時垮落，造成工作面回采礦壓強(qiáng)烈，巷道變形劇烈，治理難度大的問題，提出了強(qiáng)烈動壓條件下巷道水力壓裂切頂卸壓控頂成套技術(shù)。結(jié)果表明：實施水力壓裂切頂卸壓后，動壓巷道變形情況顯著降低，有效保證了二次復(fù)用巷道的圍巖穩(wěn)定。吳擁政[7]以潞安余吾煤業(yè)工作面雙巷布置中的留巷作為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬、實驗室試驗及井下試驗相結(jié)合的方法，開展了留巷定向水力壓裂卸壓機(jī)理及應(yīng)用研究，有效解決了工作面二次回采時巷道變形劇烈、支護(hù)難度大的問題。張勇[8]等對自成巷道在“采-留-用”期間的擾動因素進(jìn)行分析，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測，對自成巷道在二次復(fù)用期間的圍巖應(yīng)力演化規(guī)律和變形特征進(jìn)行了研究。可以看出，前人在切頂卸壓沿空留巷方面進(jìn)行了大量研究[9-11]，但大多針對二次復(fù)用巷道，對于服務(wù)周期長、受多次應(yīng)力擾動的集中巷道還沒有相關(guān)研究[12-15]。因此，本文以寺河煤礦東五盤區(qū)集中巷為研究對象，開展水力壓裂法切頂卸壓試驗。通過對比分析壓裂段與非壓裂段留巷效果，為水力壓裂法切頂卸壓技術(shù)在受多次應(yīng)力擾動下大采高工作面沿空留巷中的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

寺河礦5303工作面為大采高工作面，煤層平均厚度6.0m，煤層傾角平均6°。53033巷為5303工作面運輸巷，53033巷以北為四條東翼集中巷，分別為回風(fēng)二巷(煤巷)、回風(fēng)一巷(巖巷)、輔助運輸巷(煤巷)、運輸巷(煤巷)，回風(fēng)一巷位于回風(fēng)二巷與輔運巷上方約15m處，回風(fēng)一巷水平方向與回風(fēng)二巷間距10m，運輸巷與輔助運輸巷水平間距15m，東翼集中巷將為多個工作面服務(wù)。煤巷斷面均為矩形，高3.8m，寬5.0m。巖巷布置在3#煤頂板巖層中，斷面形狀為直墻半圓拱形，巷寬5.3m，墻高2.0m，拱高2.65m。東翼四條集中巷具有服務(wù)周期長、受多次動壓影響時間長、受向斜構(gòu)造影響及煤柱尺寸偏小等特點，留巷難度非常大，一旦巷道出現(xiàn)問題，將極大影響寺河礦的生產(chǎn)銜接。

圖1 東翼集中巷平面布置圖

2 復(fù)雜應(yīng)力擾動下巷道圍巖變形模擬研究

為研究受多次應(yīng)力擾動下巷道圍巖變形情況，利用數(shù)值模擬軟件對寺河礦東翼集中巷掘進(jìn)過程中、受5303工作面和5304工作面回采影響下巷道變形破壞情況及煤柱應(yīng)力分布進(jìn)行模擬研究。

2.1 掘進(jìn)時巷道變形情況

以東翼回風(fēng)二巷為例，掘進(jìn)按支護(hù)設(shè)計進(jìn)行施工后，圍巖應(yīng)力、變形分布情況如圖2—5所示。由圖2—5可知，作為巷道密集區(qū)，當(dāng)巷道掘進(jìn)后，巷道底板、兩幫形成了一定程度的應(yīng)力集中，巷道之間的煤柱產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯。從位移方面分析，巷道掘進(jìn)期間變形量不大，支護(hù)強(qiáng)度能夠滿足要求。

圖2 回風(fēng)二巷X方向水平應(yīng)力云圖

圖3 回風(fēng)二巷Y方向水平應(yīng)力云圖

圖4 回風(fēng)二巷垂直應(yīng)力云圖

圖5 回風(fēng)二巷垂直位移云圖

2.2 受5303工作面回采影響巷道變形情況

5303工作面回采后，東翼四條大巷垂直應(yīng)力及塑性區(qū)分布如圖6、圖7所示。

圖6 5303工作面與東翼大巷周圍垂直應(yīng)力分布

圖7 工作面垂直剖面塑性區(qū)分布

由圖6、圖7可知，當(dāng)5303工作面開采后，工作面和回風(fēng)二巷之間煤柱產(chǎn)生了集中應(yīng)力，達(dá)到22MPa以上，集中應(yīng)力對東翼巷道的圍巖應(yīng)力產(chǎn)生明顯的擾動?；仫L(fēng)二巷兩側(cè)的垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯高于其他巷，在回風(fēng)二巷兩側(cè)的煤柱應(yīng)力呈現(xiàn)出“左側(cè)高、右側(cè)低”的特征，且靠5303工作面一側(cè)的煤柱承受更高的垂直應(yīng)力，這也說明5303工作面的回采對回風(fēng)二巷產(chǎn)生了更嚴(yán)重的采動影響，受工作面回采動壓影響，東翼巷道的塑性區(qū)范圍進(jìn)一步增大，尤其是回風(fēng)二巷的左幫，塑性區(qū)基本與采空區(qū)貫通。

2.3 受5304工作面回采影響巷道變形情況

5304工作面回采后，工作面與東翼大巷周圍垂直應(yīng)力分布如圖8所示，工作面回采后應(yīng)力集中系數(shù)如圖9所示。

圖9 5304工作面回采后東翼巷道應(yīng)力集中系數(shù)云圖

由圖8、圖9可知，雙側(cè)采空以后，東翼大巷應(yīng)力集中程度更高，集中應(yīng)力最高達(dá)到24.7MPa以上，應(yīng)力集中系數(shù)高達(dá)3.55，集中應(yīng)力對東翼巷道的圍巖應(yīng)力產(chǎn)生進(jìn)一步的擾動。

通過數(shù)值模擬分析可知，受復(fù)雜應(yīng)力擾動下，東翼集中巷圍巖變形十分嚴(yán)重，需要采取有效措施確保巷道圍巖穩(wěn)定可靠。

3 水力壓裂法切頂卸壓方案設(shè)計

為確保東翼集中巷圍巖的穩(wěn)定，在53033巷布置水力壓裂鉆孔進(jìn)行切頂卸壓。根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)結(jié)合現(xiàn)有施工條件，確定水力壓裂鉆孔布置如圖10所示，壓裂鉆孔為雙側(cè)布置，煤柱側(cè)鉆孔在巷幫開孔，位置距頂板0.3～0.5m，鉆孔直徑75mm，長度為40m，傾角為60°，孔間距為10m，鉆孔與巷道軸線方向夾角60°；帶式輸送機(jī)側(cè)鉆孔在頂板開孔，位置距煤柱側(cè)幫1.5～2m，鉆孔直徑75mm，長度為32m，傾角為60°，孔間距為10m，鉆孔與巷道軸線方向夾角20°。

圖10 水力壓裂鉆孔布置圖

4 水力壓裂法切頂卸壓效果分析

4.1 東翼回風(fēng)二巷切頂卸壓效果

4.1.1 壓裂前后巷道表面位移觀測

分別在回風(fēng)二巷對應(yīng)壓裂段和未壓裂段布置表面位移測站，壓裂段布置6個測站，未壓裂段布置4個測站，如圖11所示。未壓裂段與壓裂段巷道表面位移見表1、表2。

圖11 壓裂前后巷道表面位移測站布置

回風(fēng)二巷未壓裂段兩幫移近量平均1038.7mm，頂板下沉量平均497.5mm，底鼓量平均2387.5mm。采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)后，兩幫移近量平均592.3mm，降低43%，頂板下沉量平均323.3mm，降低35%，底鼓量平均676.7mm，降低71.7%。由此可見，巷道圍巖變形主要以底鼓為主，且水力壓裂切頂卸壓對巷道圍巖變形尤其是巷道底鼓有很大改善。

4.1.2 壓裂前后煤柱應(yīng)力觀測

分析壓裂前后煤柱不同深度受力的不同，監(jiān)測位置分別為煤柱深度5m、7m、9m、11m、13m五個位置，如圖12所示。

表1 回風(fēng)二巷未壓裂段巷道表面位移統(tǒng)計表 mm

表2 回風(fēng)二巷壓裂段巷道表面位移統(tǒng)計表 mm

圖12 不同煤柱深度應(yīng)力對比曲線

對比壓裂段和非壓裂段的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，可以看到比較明顯的區(qū)別：壓裂段的應(yīng)力在接近工作面時出現(xiàn)了峰值點，此后快速下降，而非壓裂段的應(yīng)力一直保持上升趨勢。說明水力壓裂切頂卸壓后有效改善了圍巖應(yīng)力環(huán)境。

4.1.3 壓裂前后錨索受力監(jiān)測

分別在壓裂段和未壓裂段布置錨索受力在線監(jiān)測測站，壓裂段共布置4個錨索測力計，位置在20#橫川以東10m。未壓裂段共布置4個錨索測力計，位置在17#橫川以東15m。

對測試結(jié)果進(jìn)行分析可知，在超前工作面250m到滯后工作面200m范圍內(nèi)頂板錨索受力壓裂前與壓裂后兩種情況基本相似。幫錨索受力變化區(qū)別較大，在超前工作面50m到滯后工作面100m范圍內(nèi)，未壓裂段幫錨索受力由80kN增加至498kN，壓裂段幫錨索受力由150kN增加至230kN。前者是后者增幅的4倍，說明未采用水力壓裂時煤柱巷幫支護(hù)體受力變化幅度大且受力值非常大，采用水力壓裂后煤柱巷幫支護(hù)體受力變化幅度較小。

4.2 回風(fēng)一巷、輔助運輸巷及運輸巷切頂卸壓效果

分別在東翼回風(fēng)一巷、輔助運輸巷及運輸巷布置巷道表面位移測點，監(jiān)測水力壓裂后巷道圍巖變形情況。通過觀測分析可知，水力壓裂后回風(fēng)一巷巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?54mm，較未壓裂段降低45.4%，兩幫移近量最大為424mm，較未壓裂段降低17.5%；水力壓裂后輔助運輸巷巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?22mm，較未壓裂段降低17.9%，兩幫移近量最大為193mm，較未壓裂段降低40.2%；水力壓裂后運輸巷巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?87mm，較未壓裂段降低20.2%，兩幫移近量最大為212mm，較未壓裂段降低28.6%。

由此可見，水力壓裂后，降低了回采動壓對三條集中大巷的應(yīng)力擾動，有效緩解了巷道圍巖變形。

5 結(jié) 論

1)模擬研究了復(fù)雜應(yīng)力擾動下巷道圍巖變形規(guī)律。通過數(shù)值模擬分析可知，東翼集中巷在掘進(jìn)期間圍巖應(yīng)力集中不明顯，圍巖變形不大，但受5303工作面回采動壓影響后，集中應(yīng)力對東翼集中巷的圍巖應(yīng)力產(chǎn)生明顯的擾動，且巷道的塑性區(qū)范圍進(jìn)一步增大。當(dāng)5304工作面回采、東翼四條集中巷形成雙側(cè)采空的情況后，集中應(yīng)力最高達(dá)到24.7MPa以上，應(yīng)力集中系數(shù)高達(dá)3.55。

2)對比分析了寺河礦東翼回風(fēng)二巷水力壓裂前后巷道圍巖變形、煤柱應(yīng)力及錨索受力情況。壓裂后，兩幫移近量降低43%，頂板下沉量降低35%，底鼓量降低71.7%。壓裂后，煤柱應(yīng)力在接近工作面時出現(xiàn)了峰值點，此后快速下降，有效改善了圍巖應(yīng)力環(huán)境。壓裂前后頂板錨索受力基本相似，但幫部錨索受力變化區(qū)別較大，壓裂后煤柱巷幫支護(hù)體受力變化幅度有所減小。

3)分析了寺河礦東翼回風(fēng)一巷、輔助運輸巷及運輸巷水力壓裂前后巷道圍巖變形情況。水力壓裂切頂卸壓后，有效降低了回采動壓對大巷的應(yīng)力擾動，在一定程度上改善和緩解了巷道圍巖變形。