沿空側(cè)護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)開挖卸壓巷研究與探討

張 晉

(山西晉煤集團(tuán) 趙莊二號井， 山西 長治 047100)

鄰近采空區(qū)的接續(xù)工作面回采期間，其沿空側(cè)的巷道受側(cè)向支承應(yīng)力和超前支承應(yīng)力疊加影響，本身圍巖應(yīng)力環(huán)境較差，此時(shí)受回采擾動(dòng)形成的劇烈動(dòng)載擾動(dòng)影響，極易在沿空巷道超前段范圍內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的礦壓動(dòng)力顯現(xiàn)[1-2]. 以往常采用煤層注水、切頂爆破、卸壓爆破、鉆孔卸壓等卸壓方法[3]，并對巷道圍巖采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施，雖然在一定程度上能夠起到對沿空側(cè)巷道圍巖應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和圍巖結(jié)構(gòu)的加固效果，但也存在施工工程量大、經(jīng)濟(jì)成本高、對瓦斯?jié)舛纫罂量痰葐栴}。

基于此，提出了在沿空側(cè)護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)開挖巷道的卸壓方式，該方法能夠在一定程度上提高煤炭資源的采出率，但是對于其卸壓機(jī)理以及最優(yōu)開挖位置的研究還較少。

1 工程地質(zhì)概況

晉煤集團(tuán)某煤礦井田東西走向長為20.6 km，南北傾向長為6.4 km，井田內(nèi)煤層預(yù)計(jì)可開采儲(chǔ)量高達(dá)6 524.6 Mt，設(shè)計(jì)開采能力為120 Mt/a，預(yù)計(jì)礦井服務(wù)年限為54年。目前，井田內(nèi)主要開采北翼二采區(qū)，采區(qū)內(nèi)N2101首采工作面已經(jīng)開采完畢，其鄰近的N2102工作面做為接續(xù)面正處于回采階段。二采區(qū)內(nèi)主采2#煤層平均厚度為8.9 m，平均傾角為11°，開采高度為4.5 m，采用綜采放頂煤的開采工藝，采放比為1∶1. N2102工作面回采期間，與鄰近的N2101采空區(qū)之間留設(shè)有寬度為20 m的保護(hù)煤柱體，以保護(hù)N2102工作面回采期間沿空側(cè)N2102回風(fēng)平巷圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。北翼二采區(qū)內(nèi)各工作面的平面位置關(guān)系情況見圖1.

圖1 二采區(qū)內(nèi)工作面平面位置關(guān)系圖

由圖1可知，當(dāng)N2102工作面采掘期間，在沿空側(cè)尺寸為寬5.0 m×高3.5 m的回風(fēng)平巷內(nèi)設(shè)置了3個(gè)間隔50 m的礦壓觀測站點(diǎn)，對回采動(dòng)壓擾動(dòng)影響下沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測。觀測站處布置十字測點(diǎn)[4]進(jìn)行巷道圍巖移近量監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖2.

圖2 N2102工作面采掘期間回風(fēng)平巷礦壓監(jiān)測圖

由圖2b)可知，在N2102工作面掘進(jìn)期間，回風(fēng)平巷圍巖在掘出后45 d時(shí)變形量趨于穩(wěn)定，此時(shí)巷道頂板下沉量為168 mm，底鼓量為20 mm，煤柱幫移近量為111 mm，實(shí)體煤幫移近量為82 mm. 可見此時(shí)巷道頂板和煤柱幫移近量相對較大，但變形量還在可控范圍之內(nèi)。由圖2c)可知，在N2102工作面回采期間，回風(fēng)平巷圍巖在超前工作面80 m位置處變形量開始增大，隨著工作面的進(jìn)一步回采推進(jìn)，回風(fēng)平巷圍巖在超前工作面25 m位置處變形量急劇增加，直至工作面回采推進(jìn)過礦壓觀測站為止。此時(shí)巷道頂板下沉量為891 mm，底鼓量為94 mm，煤柱幫移近量為598 mm，實(shí)體煤幫移近量為350 mm. 可見此時(shí)巷道圍巖發(fā)生了較大變形，甚至局部發(fā)生冒頂、嚴(yán)重底鼓以及幫部內(nèi)擠變形嚴(yán)重等礦壓顯現(xiàn)，嚴(yán)重阻礙了回風(fēng)平巷的通風(fēng)以及其他生產(chǎn)相關(guān)的作業(yè)?；夭善陂g現(xiàn)場礦壓觀測情況見圖3，可見回風(fēng)平巷圍巖破壞情況對于工作面安全開采影響嚴(yán)重。

圖3 回風(fēng)平巷現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)情況圖

綜上分析可知，N2102工作面沿空側(cè)的回風(fēng)平巷圍巖應(yīng)力環(huán)境較差，巷道掘進(jìn)期間因未受到動(dòng)壓擾動(dòng)影響，巷道整體礦壓顯現(xiàn)良好。而當(dāng)N2102工作面回采時(shí)，受工作面劇烈回采擾動(dòng)影響，原本應(yīng)力環(huán)境較差的回風(fēng)平巷礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，因此有必要針對沿空側(cè)的回風(fēng)平巷進(jìn)行卸壓治理。

2 寬煤柱體內(nèi)開挖巷道卸壓分析

2.1 卸壓機(jī)理分析

回采工作面圍巖應(yīng)力環(huán)境見圖4. 由圖4可知，隨著某一工作面的回采推進(jìn)，將會(huì)在工作面的兩側(cè)和前方煤體內(nèi)形成一定范圍的應(yīng)力升高區(qū)(壓縮區(qū))[5]，而當(dāng)工作面一側(cè)存在鄰近采空區(qū)時(shí)，受鄰近采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力疊加作用，護(hù)巷煤柱體內(nèi)的應(yīng)力將會(huì)進(jìn)一步升高，進(jìn)而導(dǎo)致沿空側(cè)巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境較差。

圖4 回采工作面圍巖應(yīng)力環(huán)境圖

針對工作面回采期間遇到的這一難題，提出了在護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)開挖巷道進(jìn)行卸壓的方法，進(jìn)而將原本寬度較大的煤柱體分割成兩個(gè)寬度較小的煤柱體，而卸壓巷的存在也將為原本較高應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和釋放提供良好的釋放空間。分割后的兩個(gè)寬度較小的煤柱體本身承載能力有限，很容易在較高的集中應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形而將應(yīng)力轉(zhuǎn)移釋放，從而不會(huì)在護(hù)巷煤柱體內(nèi)形成高應(yīng)力集中區(qū)，確保了沿空側(cè)巷道護(hù)巷煤柱體內(nèi)應(yīng)力環(huán)境良好。在護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)開挖卸壓巷前后沿空側(cè)巷道上方頂板破斷結(jié)構(gòu)情況見圖5.

圖5 沿空側(cè)巷道上方頂板破斷結(jié)構(gòu)示意圖

由圖5a)可知，在寬煤柱體內(nèi)開挖巷道前，由于較寬的煤柱體承載能力較高，沿空側(cè)巷道上方頂板破斷后，側(cè)方位斷裂線位置將會(huì)位于寬煤柱體上方，導(dǎo)致寬煤柱體所承受的支承應(yīng)力值較大，關(guān)鍵塊B將會(huì)對沿空側(cè)巷道頂板形成水平擠壓力，進(jìn)一步導(dǎo)致沿空巷道頂板煤巖體較為破碎，不利于沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由圖5b)可知，在寬煤柱體內(nèi)開挖巷道后，原本較寬的煤柱體將會(huì)被分割成兩個(gè)寬度較小的煤柱體，此時(shí)由于煤柱體本身具有的承載能力減弱，將導(dǎo)致沿空側(cè)巷道上方頂板破斷后，側(cè)方位斷裂線位置轉(zhuǎn)移至實(shí)體煤上方，此時(shí)沿空側(cè)巷道在關(guān)鍵塊B所形成的砌體梁結(jié)構(gòu)保護(hù)下，巷道圍巖整體應(yīng)力環(huán)境良好，圍巖結(jié)果較為穩(wěn)定。

2.2 卸壓巷開挖位置計(jì)算分析

關(guān)于卸壓巷在護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)的具體開挖位置，可根據(jù)計(jì)算模型(圖6)進(jìn)行分析。

M—卸壓巷高度 d—卸壓巷道寬度 b—沿空側(cè)巷道寬度 Ln—讓壓煤柱體寬度 Lu—支承煤柱體寬度 Lp—加載帶寬度圖6 護(hù)巷煤柱內(nèi)卸壓巷布置及應(yīng)力分布示意圖

針對二采區(qū)內(nèi)采掘地質(zhì)條件，以N2103未掘工作面為工程背景進(jìn)行計(jì)算分析。在N2103回風(fēng)平巷的護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)開挖卸壓巷道，卸壓巷道斷面尺寸初定為寬4 m×高3.1 m，其巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度略低于2103回風(fēng)平巷圍巖的支護(hù)強(qiáng)度。

關(guān)于卸壓巷道在護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)的具體開挖位置，計(jì)算公式如下：

1) 讓壓煤柱體上的總載荷為：

P=Lpq

(1)

(2)

式中：

q—煤層上覆巖層對煤層的均布載荷，MPa/m，取2.6.

2) 讓壓煤柱體能夠承受的極限載荷為：

(3)

式中：

R—讓壓煤柱體的極限抗壓強(qiáng)度，MPa，室內(nèi)煤樣測試結(jié)果取10.6.

Q=kP

(4)

式中：

k—綜放工作面超前支承應(yīng)力集中系數(shù)，取2.8.

聯(lián)立公式(1)—(4)可以求得讓壓煤柱體的寬度Ln=5.21 m，在此取整為5 m. 因此，由理論計(jì)算分析可知讓壓煤柱體最合理寬度值為5 m.

3 數(shù)值模擬分析

為了能夠比較真實(shí)地模擬出巖石材料的非均質(zhì)性，采用RFPA軟件進(jìn)行開挖卸壓巷前后的模擬分析[6]. 根據(jù)現(xiàn)場二采區(qū)內(nèi)地質(zhì)鉆孔勘測結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)室對現(xiàn)場煤巖樣取芯測試結(jié)果建立三維數(shù)值模型，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)開挖卸壓巷的不同位置模擬方案見表2.

表2 卸壓巷道不同布置方案表

對上述9種方案的模擬結(jié)果進(jìn)行多參量監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表3.

表3 卸壓巷道不同布置方案監(jiān)測結(jié)果表

由表3可以得到不同方案下沿空側(cè)巷道和卸壓巷道的最大垂直應(yīng)力、應(yīng)力集中系數(shù)和頂?shù)装遄冃瘟孔兓?guī)律，見圖7.

由表3和圖7可知，方案2整體上對于2103回風(fēng)巷道的最大垂直應(yīng)力、應(yīng)力集中系數(shù)和頂?shù)装遄冃瘟扛纳菩Ч顬槊黠@。因此，確定選用方案2為現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)階段的最優(yōu)施工方案，這與理論計(jì)算得出的讓壓煤柱體最合理寬度結(jié)果相一致，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7 不同卸壓巷道布置方案數(shù)值模擬結(jié)果圖

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

現(xiàn)場N2103工作面掘進(jìn)期間，在沿空側(cè)護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)按照方案2所示開挖卸壓巷道，并對N2103回風(fēng)平巷圍巖采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)加固措施，即在原有錨網(wǎng)索支護(hù)的基礎(chǔ)上，對兩幫部錨桿進(jìn)行替換，改用d20 mm×L2 500 mm的螺紋鋼錨桿，而對于頂板，將原有的錨索改用d17.8 mm×L8 300 mm的鋼絞線錨索，并將每排的數(shù)量增加至3根。

通過在沿空側(cè)N2103回風(fēng)平巷內(nèi)設(shè)置3個(gè)間隔50 m的礦壓觀測站點(diǎn)，對回采動(dòng)壓擾動(dòng)影響下沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測。觀測站處同樣布置十字測點(diǎn)進(jìn)行巷道圍巖移近量監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖8.

圖8 N2102工作面采掘期間回風(fēng)平巷礦壓監(jiān)測圖

由圖8a)可知，在N2103工作面掘進(jìn)期間，回風(fēng)平巷圍巖在掘出后45 d時(shí)變形量趨于穩(wěn)定，此時(shí)巷道頂板下沉量為156 mm，底鼓量為20 mm，煤柱幫移近量為105 mm，實(shí)體煤幫移近量為84 mm. 可見此時(shí)巷道圍巖整體變形量較小，與圖2a)監(jiān)測結(jié)果差異不大，這說明在護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)開挖卸壓巷對于沿空側(cè)巷道掘進(jìn)期間圍巖的變形影響甚微。由圖8b)可知，在N2103工作面回采期間，回風(fēng)平巷圍巖在超前工作面45 m位置處變形量開始增大，直至工作面回采推進(jìn)過礦壓觀測站為止。此時(shí)巷道頂板下沉量為524 mm，底鼓量為94 mm，煤柱幫移近量為401 mm，實(shí)體煤幫移近量為322 mm，與圖2b)監(jiān)測結(jié)果對比可知，頂板和煤柱幫圍巖變形量大幅減小，降幅量分別為41.2%和32.9%.

因此，在N2103回風(fēng)平巷側(cè)的護(hù)巷煤柱體內(nèi)合理開挖卸壓巷道，改善了N2103回風(fēng)平巷的圍巖應(yīng)力環(huán)境，避免了N2103工作面回采期間沿空巷道受回采擾動(dòng)影響而發(fā)生較為嚴(yán)重的礦山壓力事故，為后續(xù)工作面的正常接續(xù)開采提供了保障。

5 結(jié) 論

1) 沿空側(cè)巷道容易受工作面采動(dòng)動(dòng)壓影響而礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，基于此提出了在護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)開挖巷道卸壓維護(hù)沿空側(cè)巷道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2) 理論分析了護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)開挖巷道能夠致使側(cè)方位斷裂線由煤柱上方轉(zhuǎn)移至實(shí)體煤上方，進(jìn)而致使沿空側(cè)巷道圍巖處于較低的應(yīng)力環(huán)境下；理論計(jì)算得到N2103工作面最優(yōu)的讓壓煤柱體寬度為5 m.

3) 采用RFPA軟件數(shù)值模擬了護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)開挖卸壓巷的9種不同位置，并通過分析不同方案下最大垂直應(yīng)力、應(yīng)力集中系數(shù)和頂?shù)装遄冃瘟康葏⒘?，確定了卸壓巷的位置為與沿空巷道間煤柱寬度為5 m，沿底板掘進(jìn)。

4) 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)及礦壓觀測結(jié)果表明，在護(hù)巷寬煤柱體內(nèi)實(shí)施卸壓巷后，N2103工作面沿空側(cè)回風(fēng)平巷頂板和煤柱幫變形降幅量分別為41.2%和32.9%，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境良好，圍巖穩(wěn)定性較好。