礦井沿空巷道防沖卸壓與圍巖控制綜合實施研究與應(yīng)用

高玉生 韓傳磊 劉尊剛

（汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司，山東 濟寧 272000）

1 3305 工作面概況

義橋煤礦生產(chǎn)條件復(fù)雜，主要表現(xiàn)在采深大，斷層多，頂板厚硬巖層多。3305 工作面是該礦井三采區(qū)第二個綜放工作面，其北側(cè)為3303 采空區(qū)，設(shè)計形狀為一刀把形，是一個較典型的不規(guī)則工作面，工作面北側(cè)沿3303采空區(qū)，留設(shè)區(qū)段煤柱為5 m，也是一側(cè)沿采空區(qū)回采的工作面，其南側(cè)為SF21正斷層（落差0～60 m，傾角60°），東側(cè)為三采區(qū)膠帶下山，西側(cè)為YF7 斷層（落差＞500 m，傾角＜60°）。工作面整體埋深為430～720 m，工作面開采范圍呈“刀把”形，軌道順槽長1432 m，膠帶順槽長1240 m，膠帶順槽外段長734 m，切眼長155 m，回采后期工作面加寬至240 m（地面為農(nóng)田，無其他較大構(gòu)筑物），具體布置如圖1。

3305 工作面開采山西組3 煤層，煤層厚度為3.5～5.2 m，平均厚度4.1 m，平均傾角13°，普氏硬度1.48，地層構(gòu)造基本為單一斜構(gòu)造，受斷層影響，煤層傾角局部變化較大。煤層頂?shù)装鍘r層情況見表1。

經(jīng)煤巖層沖擊傾向性鑒定試驗[1-5]，3 煤層動態(tài)破壞時間平均值為161 ms，沖擊能量指數(shù)平均值為1.38，彈性能量指數(shù)平均值為2.28，單軸抗壓強度平均值為14.47 MPa，綜合判定3 煤層具有弱沖擊傾向性。3 煤頂板巖層彎曲能量指數(shù)為272.23 kJ，判定頂板巖層具有強沖擊傾向性。

圖1 3305 工作面井下位置關(guān)系圖

表1 煤層頂?shù)装鍘r層情況表

由圖1 可知，3305 工作面軌道順槽沿空掘進，區(qū)段煤柱寬度為5 m。軌道順槽斷面為矩形，凈寬4400 mm，凈高3300 mm，采用錨網(wǎng)索梁+W 鋼帶梁支護。錨桿規(guī)格為Ф20×2400 mm，間排距為800 mm×800 mm；金屬網(wǎng)采用1000 mm×2000 mm的軋花平網(wǎng)；錨索規(guī)格為Ф18 mm×5000 mm，間排距1600 mm×1600 mm，每排3 根；W 鋼帶規(guī)格為4200 mm×280 mm。

2 大直徑鉆孔卸壓對圍巖穩(wěn)定性的影響

2.1 大直徑鉆孔卸壓機理

假設(shè)圓形鉆孔直徑為r0，假設(shè)鉆孔處于靜水應(yīng)力狀態(tài)，建立大直徑鉆孔力學(xué)模型，大直徑鉆孔受均布壓應(yīng)力作用，根據(jù)彈性力學(xué)理論，可簡化為平面應(yīng)變問題。在圍巖高應(yīng)力作用下，鉆孔周圍煤體將發(fā)生塑性破壞。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，得出鉆孔周圍應(yīng)力分布和塑性區(qū)半徑可表示為：

式中：σθp和σrp分別為塑性區(qū)內(nèi)切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；r為塑性區(qū)內(nèi)一點距鉆孔中心點的距離；rp為塑性區(qū)半徑。

將鉆孔周圍塑性區(qū)邊界上的徑向應(yīng)力等效為對彈性區(qū)作用的外力，則可以得出鉆孔周圍塑性區(qū)之外彈性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布為：

式中：σθe和σre為彈性區(qū)內(nèi)切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。

在巷道圍巖中實施大直徑鉆孔后，在圍巖高應(yīng)力作用下每個鉆孔周圍一定范圍內(nèi)煤體將產(chǎn)生劈裂破壞并形成塑性區(qū)，鉆孔周圍破碎帶和塑性區(qū)的產(chǎn)生使得圍巖中的高應(yīng)力向更深處轉(zhuǎn)移。當(dāng)相鄰的多個大直徑鉆孔塑性區(qū)疊加后，則在巷道圍巖內(nèi)形成具有一定寬度的破裂帶，鉆孔卸壓破裂帶形成的過程中將耗散掉大部分圍巖中積聚的彈性應(yīng)變能，從而降低沖擊危險。此外，當(dāng)發(fā)生沖擊時，大直徑鉆孔的空間能夠吸收沖出的煤粉，防止煤體沖出。

2.2 大直徑鉆孔卸壓對圍巖變形的影響

受3303 工作面采空區(qū)側(cè)向支承集中應(yīng)力的影響，3305 軌道順槽采掘期間沖擊危險性較高。為預(yù)防軌道順槽采掘期間發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害，在軌道順槽掘進過程中對其實體煤幫進行了大直徑鉆孔預(yù)卸壓處理。根據(jù)義橋煤礦三采區(qū)地質(zhì)情況和礦井鉆孔施工經(jīng)驗，大直徑鉆孔參數(shù)：重點防沖區(qū)域按照間距2.0 m 施工大直徑鉆孔，鉆孔深度為20 m，孔徑150 mm，單排布置，鉆孔距巷道底板1.2～1.5 m。

3305 工作面軌道順槽實體煤幫實施鉆孔卸壓預(yù)處理后，煤體中形成弱化帶，使應(yīng)力峰值減小，峰值位置向圍巖深部轉(zhuǎn)移，改善了巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，使?jié)撛诘臎_擊危險得以消除。而卸壓鉆孔的開挖增加了鉆孔鄰近區(qū)域支護結(jié)構(gòu)的軸向拉力，同時高密度的大直徑鉆孔實施破壞了錨固范圍內(nèi)圍巖的強度和整體性，給本就容易發(fā)生大變形破壞的沿空巷道維護帶來極大困難。

為對比大直徑鉆孔卸壓對圍巖變形控制的影響，對實施大直徑鉆孔后3305 工作面軌道順槽圍巖變形規(guī)律進行了監(jiān)測，如圖2。

圖2 巷道表面變形規(guī)律監(jiān)測

由圖2 可知，對比未進行常規(guī)大直徑防沖鉆孔卸壓巷道圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，實施大直徑鉆孔卸壓區(qū)域的巷道兩幫移近量最大為337 mm，未卸壓巷道圍巖兩幫最大移近量僅190 mm。得出：大直徑鉆孔卸壓區(qū)域兩幫破壞程度較大，防沖卸壓鉆孔對巷道圍巖控制產(chǎn)生不利影響。

3 防沖卸壓與圍巖變形協(xié)同控制技術(shù)

3.1 防沖卸壓與圍巖變形協(xié)同控制原理

針對沿空巷道沖擊地壓防治過程中出現(xiàn)的鉆孔卸壓與圍巖控制相矛盾的問題，認為在巷道圍巖進行鉆孔卸壓的同時又不破壞或少破壞巷道圍巖淺部錨固區(qū)的整體強度，是防沖卸壓與巷道圍巖控制協(xié)同治理的關(guān)鍵。

在大直徑鉆孔實施后，采用有效的方式提高或恢復(fù)巷道圍巖淺部錨固區(qū)內(nèi)煤體的強度，弱化錨固區(qū)內(nèi)鉆孔塑性區(qū)的擴展，減小鉆孔卸壓對巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)的破壞，確保鉆孔卸壓在對巷道圍巖穩(wěn)定性影響盡量小的同時，達到應(yīng)力轉(zhuǎn)移的目標(biāo)，以實現(xiàn)沖擊地壓災(zāi)害與巷道圍巖控制協(xié)同治理。

3.2 防沖卸壓與圍巖變形協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)

考慮到大直徑鉆孔對巷道圍巖淺部錨固區(qū)的破壞效應(yīng)，提出在大直徑卸壓鉆孔實施后，采用預(yù)制混凝土柱對巷道圍巖淺部錨固區(qū)內(nèi)的大直徑鉆孔進行局部非密實充填處理。

巷道圍巖錨固層內(nèi)鉆孔進行局部非密實充填處理后，在不影響大直徑鉆孔卸壓效果的同時，降低了錨固層內(nèi)鉆孔塑性區(qū)的擴展范圍，且預(yù)制混凝土柱與鉆孔壁之間的未充填空隙還為巷道圍巖變形提供了一定補償空間，吸收一部分變形，從而減小巷道變形量。當(dāng)巷道圍巖錨固層范圍內(nèi)鉆孔變形后，孔壁與預(yù)制混凝土柱產(chǎn)生擠壓力，提高了巷道圍巖錨固層范圍內(nèi)煤體的整體強度和承載力，有利于巷道圍巖變形控制。

4 現(xiàn)場試驗

在3305 工作面軌道順槽進行了現(xiàn)場試驗，在試驗段巷道生產(chǎn)幫施工大直徑卸壓鉆孔，具體參數(shù)為：間距2.0 m，鉆孔深度為20 m，孔徑150 mm。大直徑卸壓鉆孔實施完畢后，將預(yù)制好的混凝土柱充填至巷道圍巖錨固層的鉆孔內(nèi)?；炷林孛鏋閳A形，直徑140 mm，每節(jié)混凝土柱的長度為1 m，每個鉆孔充填3 節(jié)混凝土柱，即大直徑鉆孔局部充填深度為3 m。在試驗段巷道表面設(shè)置測站，對巷道表面位移進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖3。

圖3 巷道表面位移監(jiān)測

由圖3 可知，對巷道圍巖錨固層內(nèi)大直徑卸壓鉆孔進行局部充填后，鉆孔卸壓效果未出現(xiàn)明顯的變化，而巷道頂?shù)装逡平恳约皟蓭鸵平砍霈F(xiàn)明顯的下降趨勢，其中兩幫移近量最大值較未充填區(qū)平均減小106%，頂?shù)装逡平孔畲笾递^未充填區(qū)平均減小35%，兩幫移近量變化較為明顯。結(jié)果表明：采用預(yù)制混凝土柱對錨固區(qū)內(nèi)大直徑鉆孔進行局部非密實充填處理對巷道支護和變形的控制效果較為理想。

5 結(jié)論

（1）建立煤層大直徑卸壓鉆孔力學(xué)模型，推導(dǎo)了鉆孔周圍應(yīng)力分布和塑性區(qū)半徑的表達式，探究了煤層大直徑鉆孔卸壓機理。

（2）以3305 工作面沿空軌道順槽為背景，研究得出大直徑鉆孔可以有效地改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，消除巷道潛在的沖擊危險，然而大直徑鉆孔實施同樣破壞了錨固范圍內(nèi)圍巖的強度和整體性，加劇了卸壓區(qū)域巷道圍巖變形破壞程度，對巷道圍巖控制產(chǎn)生不利影響。

（3）基于防沖卸壓與圍巖變形協(xié)同控制原理，提出了采用預(yù)制混凝土柱對巷道圍巖淺部錨固區(qū)內(nèi)大直徑鉆孔進行局部非密實充填技術(shù)，并進行了現(xiàn)場應(yīng)用?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明：鉆孔局部充填后，較未充填區(qū)域，兩幫移近量最大值平均減小106%，頂?shù)装逡平孔畲笾灯骄鶞p小35%，顯著改善了巷道圍巖的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了防沖卸壓與圍巖變形協(xié)同控制。