二次采動影響下回采巷道礦壓顯現(xiàn)及控制技術(shù)研究

任建慧

(神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 布爾臺煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

近年來，隨著煤礦開采強(qiáng)度逐漸增大，開采速度日益加快，導(dǎo)致煤礦生產(chǎn)條件也愈加復(fù)雜，造成礦壓顯現(xiàn)日益突出；結(jié)合神東礦區(qū)實際生產(chǎn)特征，其工作面走向長度大、推進(jìn)快、裝備大功率型設(shè)備，為了緩解采掘接續(xù)緊張，提高煤炭回采率，神東礦區(qū)廣泛采用雙巷布置工作面，回采巷道掘進(jìn)方式多為兩條甚至三條巷道同時掘出，導(dǎo)致部分需要保留的回采巷道受到多次采動影響，即始終有一條受多次采動影響巷道(留巷)，礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道圍巖穩(wěn)定控制困難，維修費時費力，這種雙巷甚至三巷的布置方式下復(fù)雜的礦壓顯現(xiàn)直接影響著礦井的生產(chǎn)。

布爾臺煤礦42煤存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，綜放工作面回采期間超前礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道圍巖變形嚴(yán)重，直接影響綜放面回采。42105工作面回采期間發(fā)生過7次大的頂板來壓，導(dǎo)致157根單體折損、機(jī)尾段支架安全閥損壞；42106工作面回采期間發(fā)生了6次大的頂板來壓，輔運巷底鼓嚴(yán)重，超前支架倒架，影響工作面正常推進(jìn)；42107工作面回采期間發(fā)生了6次大的頂板來壓，存在機(jī)尾超前段礦壓顯現(xiàn)劇烈、巷道收斂變形嚴(yán)重等問題。因此，隨著開采強(qiáng)度、開采深度的加大，亟需對多次采動影響下，留巷圍巖破壞演化機(jī)理開展一系列理論和實踐研究，厘清采動影響下回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及穩(wěn)定機(jī)制。通過對布爾臺煤礦42107綜放工作面輔運巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測、分析，總結(jié)采動影響下巷道圍巖破壞、變形機(jī)制，提出采取水力壓裂卸壓、注漿加固及優(yōu)化補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施聯(lián)合加固支護(hù)技術(shù)方案，解決了采動影響下回采巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈難題，有效控制巷道變形，使其滿足生產(chǎn)要求。

1 試驗巷道工程地質(zhì)條件

布爾臺煤礦42107綜放工作面布置在42煤一盤區(qū)，上部(東北部)為42106工作面(已回采)，下部為42108工作面(尚未回采)，該輔運巷設(shè)計長5381m，沿底掘進(jìn)，斷面形狀為矩形，寬×高=5400mm×3600mm，埋深310～471m，煤層底板的最低處在切眼附近，回采總體呈正坡推進(jìn)。42107輔運巷所在的煤層厚度為3.46～7.05m，平均6.13m，煤層傾角3°～9°。根據(jù)三維地震勘探資料分析，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單；輔運巷道上方頂?shù)装迩闆r見表1。

42106工作面回采時42107輔運巷作為回風(fēng)巷及輔助運輸巷，待42107綜放工作面回采時又作為進(jìn)風(fēng)巷及輔助運輸巷為其服務(wù)，則42107輔運巷受到多次采動影響。此外，42107綜放工作面煤層上覆松散層厚2.5～25.9m，該工作面上部為22煤層22106、22107工作面采空區(qū)，與上方22煤層間距為45～78m，局部為22煤層回采的遺留煤柱區(qū)域，主要包括22106、22107工作面跳采遺留的2塊煤柱區(qū)域，各工作面與巷道位置關(guān)系如圖1所示。

表1 輔運巷道上方煤層頂?shù)装鍘r性

圖1 布爾臺煤礦42107綜放工作面位置關(guān)系

2 采動影響下巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理

2.1 巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律監(jiān)測及理論分析

為了查明采動影響下巷道圍巖變形失穩(wěn)機(jī)理，掌握采動影響下巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，制定了現(xiàn)場監(jiān)測方案，來監(jiān)測42107工作面輔運巷圍巖的表面位移、深部位移及錨索受力等變化參數(shù)。

2.1.1 表面位移監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)所測得的觀測區(qū)域內(nèi)表面位移數(shù)據(jù)，整理出巷道圍巖移近量并成曲線如圖2所示。由圖2可知，42107輔運巷位于埋深460m區(qū)域及22上覆遺留煤柱下方位置，由于受高地應(yīng)力和疊加集中應(yīng)力作用，該區(qū)段巷道表面收斂變形顯著大于正常區(qū)段；且在回采工作面前方160m，巷道收斂變形速率加快；進(jìn)一步對比分析，埋深460m區(qū)域內(nèi)的輔運巷兩幫圍巖的移近量大于頂?shù)装?；位?2上覆遺留煤柱下方位置區(qū)域內(nèi)的輔運巷挖底施工后，兩幫移近量顯著增加；正常區(qū)段內(nèi)的輔運巷頂?shù)装逡平看笥趦蓭停诨夭晒ぷ髅媲胺?20m，巷道收斂變形速率加快。

2.1.2 深部位移監(jiān)測結(jié)果

42107輔運巷不同區(qū)域位置巷道圍巖深部多點位移數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著工作面逐步回采推進(jìn)，42107輔運巷頂板運移逐漸增強(qiáng)，受采動影響愈加明顯，頂板3m內(nèi)巖層整體下沉，1.8m至3m出現(xiàn)離層，且離層值約為10mm；進(jìn)一步對比分析，埋深460m區(qū)域及上覆遺留煤柱下方，頂板巖層運移較正常區(qū)域顯著，且埋深460m區(qū)域及上覆遺留煤柱下方輔運巷深部圍巖位移變化量分別為正常區(qū)的1.3倍、2.5倍。

圖2 42107輔運巷道表面位移曲線

圖3 42107輔運巷道圍巖深部位移曲線

2.1.3 錨索受力監(jiān)測

42107輔運巷不同區(qū)域位置頂板錨索受力數(shù)據(jù)曲線如圖4所示，由圖4可知，回采過程中，42107輔運巷頂板錨索受力出現(xiàn)頻繁波動，反映了巖層在采動影響下活動頻繁。分析圖4(a)可知，2018年3月15日，工作面推進(jìn)348.5m，此時距工作面71.5m處錨索受力顯著增大，表明埋深460m區(qū)域位置范圍內(nèi)超前71.5m頂板巖層受采動影響顯著；分析圖4(b)可知，4月10日，工作面推進(jìn)594m(進(jìn)入上覆遺留煤柱下方)，此時距工作面166m處錨索受力突增，且呈現(xiàn)瞬時動態(tài)變化，表明在上覆遺留煤柱影響下超前166m范圍內(nèi)頂板巖層受采動影響明顯；且錨索受力先突增后降低，究其原因為相鄰采空區(qū)側(cè)巖層回轉(zhuǎn)導(dǎo)致42107輔運巷上方堅硬頂板巖層出現(xiàn)回彈現(xiàn)象所致；對比分析，埋深460m區(qū)域，受高地應(yīng)力影響，頂板錨索受力雖然波動較小，但整體受力較大，為正常錨索受力的1.4倍；在上覆遺留煤柱下方，頂板錨索受力動態(tài)波動顯著，為正常錨索受力的1.6倍。

圖4 42107輔運巷道錨索受力曲線

2.2 采動影響下巷道圍巖受力力學(xué)模型

基于現(xiàn)場工程實驗所監(jiān)測的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，結(jié)合礦壓理論進(jìn)行深入分析，針對布爾臺煤礦42107輔運巷受采動影響導(dǎo)致圍巖變形呈現(xiàn)動載特性，且呈現(xiàn)非對稱分布狀態(tài)。巷道圍巖變形破壞程度是由塑性區(qū)的大小和形態(tài)以及巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)共同決定的，因此，為了查明采動影響下回采巷道圍巖破壞與變形失穩(wěn)機(jī)理，對采動影響下回采巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)及塑性區(qū)的大小和形態(tài)進(jìn)行理論分析，構(gòu)建采動影響下回采巷道圍巖受力力學(xué)模型如圖5所示。由圖5分析采動影響下回采巷道圍巖應(yīng)力影響因素及作用機(jī)制主要包括：

圖5 采動影響下回采巷道圍巖受力力學(xué)模型

1)巷道圍巖側(cè)向支承壓力，巷道掘進(jìn)開挖使地下煤巖體發(fā)生徑向卸荷破壞，臨空面圍巖產(chǎn)生側(cè)向支承壓力，致使一部分圍巖承受較大應(yīng)力，一部分圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)，巷道圍巖形成初始破壞狀態(tài)。

2)相鄰采空區(qū)覆巖運移擾動應(yīng)力，相鄰工作面回采后在巷道煤柱側(cè)形成大范圍的采空區(qū)，處于松散狀態(tài)，且上覆部分懸空巖層的重量要轉(zhuǎn)移到本工作面的煤體和邊界煤柱上，使采空區(qū)橫向分布著高于原巖應(yīng)力的垂直壓力，導(dǎo)致邊界煤柱內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)；另外，相鄰采空區(qū)覆巖頂板發(fā)生回轉(zhuǎn)使回采巷道頂板巖層產(chǎn)生擠壓和拉破壞，當(dāng)相鄰采空區(qū)頂板巖層變形量較大發(fā)生滑移，對巷道頂板巖層產(chǎn)生附加的剪切作用力，對于堅硬頂板厚煤層而言，采空區(qū)覆巖垮落無法充填采空區(qū)而發(fā)生垮落、破斷，產(chǎn)生強(qiáng)動態(tài)載荷作用通過巷道底板圍巖傳向回采巷道，造成回采巷道發(fā)生動壓顯現(xiàn)。

3)本工作面回采超前采動應(yīng)力，隨著本工作面逐步回采，工作面前方的圍巖應(yīng)力為尋求新的平衡狀態(tài)而發(fā)生重新分布，進(jìn)而在工作面前方形成應(yīng)力增高區(qū)，即超前采動應(yīng)力；由于相對于巷道斷面尺寸而言工作面所形成的空間尺寸較小，則在煤巖體環(huán)境一定時，工作面回采采動應(yīng)力將影響回采巷道側(cè)向應(yīng)力分布，雖然相對其它擾動應(yīng)力而言，其量值較小，但是采動應(yīng)力隨著工作面回采一直處于動態(tài)變化過程；并且，當(dāng)采動應(yīng)力受到其它開采擾動影響后，其動態(tài)變化會出現(xiàn)急劇波動，甚至增大數(shù)倍；如42107綜采工作面過上覆22煤層遺留煤柱期間，在煤柱疊加高應(yīng)力作用下，42107工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，以及輔運巷錨索監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯波動。

4)上覆遠(yuǎn)場關(guān)鍵層破斷，對于厚煤層綜放工作面而言，遠(yuǎn)場關(guān)鍵層發(fā)生“橫O-X”破斷，破斷斷裂線延伸方向平行于工作面臨空巷道軸線方向，在上覆載荷作用下，塊體發(fā)生回轉(zhuǎn)運動，但回轉(zhuǎn)運動方向垂直于工作面臨空巷道軸線方向，因而對臨空巷道圍巖產(chǎn)生沿巷道斷面徑向的擠壓作用，是造成輔運巷超前底鼓的主要原因；對42107輔運巷分析可知：隨著42煤層工作面的逐步回采，雖然42煤層下位關(guān)鍵層周期破斷后形成砌體梁結(jié)構(gòu)，破碎巖石的充填使得上位關(guān)鍵層獲得的回轉(zhuǎn)空間較小，對上部22煤層采空區(qū)巖層起到臨時支撐作用，但該結(jié)構(gòu)并未達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)，受到采動影響導(dǎo)致遠(yuǎn)場關(guān)鍵層破斷，所產(chǎn)生的強(qiáng)擾動導(dǎo)致巷道破壞。

5)其他地質(zhì)因素的影響，如上覆松散巖層、遺留集中煤柱等等；如42107綜放工作面上覆松散巖層厚2.5～25.9m，其成巖程度低、沙粒間膠結(jié)程度差、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，遇水如泥、遇風(fēng)成砂，因此，采動使其破壞，則松散巖層作為載荷作用于老頂上。

2.3 采動影響下巷道圍巖破壞機(jī)制

巷道圍巖變形失穩(wěn)的實質(zhì)是在圍巖應(yīng)力作用下圍巖產(chǎn)生了一定范圍的塑性破壞區(qū)，且塑性區(qū)的大小和形態(tài)決定巷道圍巖破壞程度，揭示圍巖失穩(wěn)機(jī)理須掌握巷道圍巖的塑性區(qū)特征；而回采巷道由于受到采動引起的加卸載效應(yīng)影響，處于非等壓環(huán)境；則圍巖產(chǎn)生不規(guī)則形態(tài)的塑性區(qū)，塑性區(qū)的寬度，即支承壓力峰值與煤壁邊緣之間的距離La為：

式中，m為煤層開采厚度，m；C為煤體粘聚力，MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，(°)；λ為煤柱塑性區(qū)與彈性區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)；Pz為對煤幫的支護(hù)阻力，MPa；γ為巖層平均容重，kg/m3；H為巷道埋深，m；k為應(yīng)力集中系數(shù)。

Lb根據(jù)錨桿的有效支護(hù)長度取值，再增加15%的富裕系數(shù)。

Lc為考慮煤層厚度較大而留設(shè)增加的煤柱內(nèi)彈性區(qū)范圍，按式(2)計算：

Lc=(La+Lb)(30%～50%)

(2)

則煤柱內(nèi)等效穩(wěn)定承載范圍計算為：

L=Lb+Lc=B-La

(3)

式中，B為綜放開采煤柱寬度，m。

由式(1)—式(3)分析可知，埋深H越大，巷道圍巖塑性區(qū)破壞范圍增加；受上覆遺留煤柱影響導(dǎo)致輔運巷煤柱塑性區(qū)與彈性區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)λ增大，導(dǎo)致圍巖破壞變形加??；采取卸壓措施降低應(yīng)力集中系數(shù)k，以及施工補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)增大對煤幫的支護(hù)阻力Pz，可有效控制圍巖破壞范圍；降低巷道圍巖塑性破壞范圍，可以增強(qiáng)煤柱承載能力。另外，輔運巷兩幫側(cè)支承壓力峰值距煤壁邊緣位置不同，則圍巖塑性破壞范圍呈非對稱狀態(tài)分布，與現(xiàn)場圍巖鉆孔窺視結(jié)果一致。由鉆孔窺視結(jié)果可知，42107輔運巷正幫煤體松動圈為0.8～1.0m，其中0.5m內(nèi)較破碎；而副幫松動圈大于1.5m，現(xiàn)場塌孔嚴(yán)重，裂隙分布深度分別為1.5m、1.1m、0.9m。此外，由鉆孔窺視最大破壞深度可知，巷道圍巖塑性破壞形態(tài)呈現(xiàn)出非對稱性分布特征。

3 控制技術(shù)研究

3.1 頂板卸壓技術(shù)

42107輔運巷礦壓顯現(xiàn)劇烈，采動影響回采巷道圍巖穩(wěn)定，因此，采取水壓致裂措施對采空區(qū)堅硬難冒頂板進(jìn)行人為施工處理，弱化或割裂采空區(qū)覆巖垮落、破斷對回采巷道變形破壞的影響。因為42107輔運巷使用超前支架支護(hù)，超前支護(hù)距離大于50m，為保證定向水力壓裂卸壓施工不影響42107綜放工作面正常生產(chǎn)，完工區(qū)段應(yīng)超前工作面煤壁至少100m。依據(jù)定向水力壓裂卸壓原理，并結(jié)合上述42107輔運巷礦壓顯現(xiàn)研究結(jié)果、鉆孔窺視和圍巖強(qiáng)度等參數(shù)，來設(shè)計水力壓裂卸壓方案鉆孔參數(shù)如圖6所示。

圖6 42107輔運巷水力壓裂設(shè)計(m)

3.2 注漿加固措施

采動影響作用下造成42107輔運巷圍巖處于頻繁加卸載狀態(tài)，導(dǎo)致其承載能力差，錨固性能降低，繼而造成支護(hù)體系難以發(fā)揮作用，幫鼔、底鼓嚴(yán)重。巷道底鼓造成底板不平，超前支架工作狀態(tài)差，支架頂梁與頂板不能完全接合，初撐力不足，主動支護(hù)效果差，影響安全生產(chǎn)，采取挖底施工措施后，巷道幫部圍巖又變形嚴(yán)重，影響超前支架并排安裝、推移，無法保證正常超前支護(hù)效果。

針對42107輔運巷變形破壞特征對巷道幫部施工注高分子材料，在42107輔運巷4543～4468m(距離切眼810～885m)正、副幫注高分子材料，鉆孔設(shè)計：距底板1.5m處以20°仰角施工注漿孔，孔間距5m，孔徑42mm，孔深4.6m，垂深1.573m，共計施工75m；施工32個孔，正、副幫各16個孔，具體施工方案如圖7所示。

圖7 42107輔運巷注高分子材料施工

對巷道幫部圍巖注高分子材料，主要機(jī)理為：當(dāng)樹脂和催化劑安裝配比摻在一起時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生膨脹，本身反應(yīng)或發(fā)泡生成多元網(wǎng)狀密彈性體的特征，當(dāng)它被高壓推擠，注入到煤巖層或混凝土裂縫(在高壓作用下可以使煤巖層的閉合裂隙張開)，可沿煤巖層裂縫延展直到將所有裂隙(包括肉眼難以覺察的裂隙及在高壓作用下重新張開的裂隙)充填。加固圍巖裂隙和不穩(wěn)定地層，進(jìn)而密實煤幫圍巖，加固采動影響巷道幫部。同時又能充填支撐幫部松動塌落的煤體，限制塑性變形區(qū)和破裂區(qū)的發(fā)展，保證巷道的圍壓，使得圍巖易于恢復(fù)三向受力狀態(tài)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果監(jiān)測

根據(jù)設(shè)計方案對42107輔運巷施工水力壓裂及注漿加固措施，并對巷道表面位移及來壓步距進(jìn)行監(jiān)測，以便掌握巷道支護(hù)工況及礦壓顯現(xiàn)情況。

4.1 表面位移監(jiān)測

42107輔運巷表面位移曲線如圖8所示，由圖8可知，對42107輔運巷正、副幫注高分子材料施工加固后，巷道圍巖收斂變形明顯減小，趨于穩(wěn)定后巷道高度減小0.6m，寬度減小0.9m，巷道變形量均在合理范圍內(nèi)，支護(hù)效果良好，巷道斷面符合要求。

圖8 表面位移曲線

4.2 來壓步距監(jiān)測

42107工作面水力壓裂前后來壓步距對比如圖9所示，由圖9可知，對42107工作面回采進(jìn)入水力壓裂區(qū)域前后8次礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行對比分析，未壓裂區(qū)域平均來壓步距28m，水力壓裂卸壓區(qū)域內(nèi)平均來壓步距17m，來壓步距明顯減小。

圖9 水力壓裂前后來壓步距對比

5 結(jié) 論

1)布爾臺煤礦42107輔運巷頂板2m內(nèi)巖層整體下沉，1.8m至3m出現(xiàn)約10mm離層；埋深460m區(qū)域及上覆遺留煤柱下方輔運巷深部圍巖位移變化量分別為正常區(qū)的1.3倍、2.5倍；且埋深460m區(qū)域頂板錨索受力雖然波動較小，但整體受力較大，為正常錨索受力的1.4倍；在上覆遺留煤柱下方，頂板錨索受力動態(tài)波動顯著，為正常錨索受力的1.6倍。

2)分析礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及工程實際情況，結(jié)合礦壓理論構(gòu)建了采動影響下巷道圍巖受力力學(xué)模型，并總結(jié)研究了采動影響下回采巷道圍巖應(yīng)力影響因素及作用機(jī)制。

3)通過理論計算分析了采動影響下回采巷道圍巖塑性破壞區(qū)大小及煤柱內(nèi)等效穩(wěn)定承載范圍，揭示了采動影響下回采巷道圍巖塑性破壞呈非對稱狀態(tài)分布，并與現(xiàn)場圍巖鉆孔窺視結(jié)果一致。

4)根據(jù)巷道圍巖受采動影響的特點，采取水力壓裂及注高分子材料來改善或控制采動巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，現(xiàn)場應(yīng)用工業(yè)性試驗表明：對42107輔運巷正、副幫注高分子材料施工加固后，巷道圍巖收斂變形明顯減小，來壓步距明顯減小，巷道變形量均在合理范圍內(nèi)，巷道斷面可滿足安全生產(chǎn)要求。