煤巷群受動(dòng)壓擾動(dòng)范圍分析及護(hù)巷技術(shù)應(yīng)用

司廣宏,王 剛,李 鋼,王 洋

(1.潞安化工集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治 046100;2.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918)

采煤工作面回采期間,會(huì)在采場(chǎng)周邊(前方、后方、側(cè)方)形成一定范圍的動(dòng)態(tài)變化的支承壓力,處于支承壓力區(qū)內(nèi)的巷道受到擾動(dòng)會(huì)發(fā)生不同程度的變形破壞,即通常所說的“動(dòng)壓擾動(dòng)”影響[1]。相關(guān)研究表明[2-8],根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開采條件的不同,超前支承壓力的擾動(dòng)范圍從數(shù)十米至數(shù)百米不等。采區(qū)大巷布置于煤層中,優(yōu)點(diǎn)是可以提升巷道掘進(jìn)效率,快速形成生產(chǎn)系統(tǒng),使礦井盡早投產(chǎn)獲得經(jīng)濟(jì)效益；缺點(diǎn)也很明顯,就是布置于煤層中的巷道后期很容易受到兩翼采煤工作面動(dòng)壓擾動(dòng)影響,維護(hù)工作量大,安全性差[9]。以余吾煤業(yè)北風(fēng)井東西翼采區(qū)為例[10-11],每當(dāng)有工作面回采結(jié)束,周邊大巷及邊角區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生不同程度的礦壓顯現(xiàn),巷道頂板破碎下沉形成墜包、錨桿(索)受力崩斷,如果不及時(shí)維護(hù)很容易發(fā)生頂板事故;巷道底鼓、幫鼓也影響了人員及物料運(yùn)輸,阻礙了礦井正常生產(chǎn)。為了避免或者減輕動(dòng)壓擾動(dòng)給周邊巷道帶來(lái)的影響,需設(shè)計(jì)合理的停采線距離,并預(yù)判影響區(qū)域,及時(shí)對(duì)巷道采取加強(qiáng)支護(hù)措施,力求對(duì)采區(qū)大巷造成的影響降到最低。

1 采區(qū)概況

余吾煤業(yè)北部井田以北風(fēng)井為界,劃分為東翼、西翼兩個(gè)采區(qū),在采區(qū)中部沿東西方向布置有5條集中大巷。所有的大巷均布置于3#煤層中,形成煤層巷道群,煤柱寬度為30 m。在采區(qū)的兩翼布置采煤工作面進(jìn)行回采作業(yè)。以開采強(qiáng)度最大的西翼采區(qū)為典型區(qū)域,工作面及巷道布置情況(局部)如圖1所示。

圖1 西翼采區(qū)工作面及巷道布置(局部)

北風(fēng)井西翼采區(qū)已回采結(jié)束8個(gè)采煤工作面,北風(fēng)井東翼采區(qū)已回采結(jié)束5個(gè)采煤工作面,已完成回采任務(wù)的工作面及停采線與大巷距離情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 工作面概況統(tǒng)計(jì)

2 影響范圍分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)案例分析

按回采時(shí)間先后選取N1102、N1202、N1206、N2103等4個(gè)典型工作面,對(duì)大巷造成的破壞范圍進(jìn)行匯總分析。

1)N1102工作面于2014年回采結(jié)束,停采線距離西翼1#回風(fēng)大巷位置最近70 m,最遠(yuǎn)122 m?，F(xiàn)場(chǎng)巷道礦壓顯現(xiàn)情況:正對(duì)的5條大巷均受到動(dòng)壓影響,其中靠近工作面的西翼1#回風(fēng)大巷、西翼輔運(yùn)大巷、西翼膠帶大巷變形最為嚴(yán)重,均進(jìn)行了挑頂作業(yè);西翼進(jìn)風(fēng)大巷進(jìn)行了局部刷幫、挑頂;最遠(yuǎn)的西翼2#回風(fēng)大巷受影響最輕,僅在邊角區(qū)域有局部底鼓現(xiàn)象。以停采線兩側(cè)邊緣點(diǎn)為圓心畫半圓,將受影響巷道區(qū)域覆蓋在內(nèi),得出邊角動(dòng)壓擾動(dòng)半徑為230～289 m；同理以停采線中心點(diǎn)為圓心畫半圓可得出中心動(dòng)壓擾動(dòng)半徑為306 m,影響范圍平面圖如圖2所示。

圖2 N1102工作面動(dòng)壓擾動(dòng)范圍

2)N1202工作面于2015年回采結(jié)束,停采線距離西翼2#回風(fēng)大巷位置最近173 m,最遠(yuǎn)240 m。擾動(dòng)區(qū)礦壓顯現(xiàn)情況:工作面對(duì)應(yīng)區(qū)域西翼2#回風(fēng)大巷發(fā)生底鼓及頂板下沉;N1202高抽巷口至N1202回順輔運(yùn)巷口巷段頂板下沉嚴(yán)重,破碎漏煤;西翼進(jìn)風(fēng)大巷局部區(qū)域錨索崩斷(已提前采取加固措施);西翼膠帶大巷頂板下沉較嚴(yán)重,局部區(qū)域形成墜包漏煤;處于工作面邊角區(qū)的西翼采區(qū)水泵房全斷面來(lái)壓收斂,頂板及幫部噴漿皮掉落,局部錨桿崩斷。根據(jù)巷道破壞范圍,得出N1202工作面邊角動(dòng)壓擾動(dòng)半徑為233～274 m,中心動(dòng)壓擾動(dòng)半徑為290 m,影響范圍如圖3所示。

圖3 N1202工作面動(dòng)壓擾動(dòng)范圍

3)N1206工作面于2020年回采結(jié)束,停采線距離西翼2#回風(fēng)大巷位置最近151 m,最遠(yuǎn)196 m,工作面末采階段進(jìn)行了水力切頂卸壓試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)情況:工作面對(duì)應(yīng)的西翼2#回風(fēng)大巷發(fā)生嚴(yán)重底鼓,1#巷口往東至均壓巷口范圍巷道幫鼓;均壓巷口頂板發(fā)生嚴(yán)重下沉,1#、2#瓦斯管道井收斂擠壓瓦斯管;北風(fēng)井措施巷工字鋼棚來(lái)壓輕微變形;膠帶大巷均壓巷風(fēng)橋處幫鼓擠壓皮帶,頂板下沉形成墜包?？傻贸鯪1206工作面邊角動(dòng)壓擾動(dòng)半徑為166～215 m,中心動(dòng)壓擾動(dòng)半徑為257 m,影響范圍如圖4所示。

圖4 N1206工作面動(dòng)壓擾動(dòng)范圍

4)N2103工作面于2020年回采結(jié)束,停采線距離東翼1#回風(fēng)大巷位置最近158 m,最遠(yuǎn)202 m?，F(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)情況:工作面正對(duì)區(qū)域的東翼膠帶大巷機(jī)頭段錨桿(索)崩斷較多,檢修斜巷口頂板下沉嚴(yán)重,檢修斜巷內(nèi)頂板及幫部噴漿皮開裂;N2103膠順輔運(yùn)巷口往東80 m范圍幫鼓,東翼進(jìn)風(fēng)大巷底鼓;工作面邊角區(qū)東翼膠帶輔運(yùn)1#巷輕微底鼓,東翼瓦斯泵站口巷道幫鼓;東翼1#回風(fēng)大巷邊角對(duì)應(yīng)巷段頂板下沉嚴(yán)重。圈定N2103工作面邊角動(dòng)壓擾動(dòng)半徑為167～300 m,中心動(dòng)壓擾動(dòng)半徑為306 m,影響范圍如圖5所示。

圖5 N2103工作面動(dòng)壓擾動(dòng)范圍

綜合以上4個(gè)典型工作面對(duì)大巷造成的擾動(dòng)情況,可得出以下結(jié)論。

1)采煤工作面對(duì)大巷的動(dòng)壓擾動(dòng)不僅僅局限于工作面前方正對(duì)的巷道范圍,還包括采空區(qū)邊角(側(cè)前方)對(duì)應(yīng)區(qū)域,此區(qū)域受工作面超前與側(cè)向支承應(yīng)力疊加,在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中很容易被忽視,不提前采取加固措施或者加固范圍不足可能對(duì)巷道造成破壞。

2)綜采工作面對(duì)煤層大巷群的動(dòng)壓擾動(dòng)范圍,以停采線為參照,中心擾動(dòng)半徑為257～306 m,平均約280 m;邊角擾動(dòng)半徑為166～300 m,平均233 m。

3)采空區(qū)邊角處兩側(cè)為實(shí)體煤更有利于超前支承應(yīng)力傳遞,相鄰兩個(gè)采煤工作面停采線錯(cuò)位過大形成的邊角區(qū)也有利于超前支承應(yīng)力傳遞,可能對(duì)臨近大巷造成不利影響。例如：N2103工作面,西南角邊角兩側(cè)為實(shí)體煤,擾動(dòng)范圍300 m,東南角邊角處一側(cè)臨近N2105采空區(qū)(停采線近似平行),擾動(dòng)范圍僅167 m;N1206工作面,西北角臨近N1205采空區(qū)(停采線平行),擾動(dòng)范圍166 m;東北角為N2201采空區(qū)(停采線錯(cuò)位),擾動(dòng)范圍215 m;N1202工作面,西北角臨近N1201采空區(qū)(停采線近似平行),擾動(dòng)范圍233 m;東北角為N1203采空區(qū)(停采線錯(cuò)位),擾動(dòng)范圍274 m;N1102工作面,西南角、東南角兩側(cè)均為實(shí)體煤,擾動(dòng)范圍分別為289 m及230 m。

4)由結(jié)論1)～3)可知，如果停采線距離大巷過近,會(huì)使得處于工作面包夾范圍內(nèi)的煤層巷道群受到多次回采動(dòng)壓影響,即大部分區(qū)域不僅要受到兩側(cè)工作面正對(duì)的中心動(dòng)壓擾動(dòng)影響,還可能受到臨近工作面邊角動(dòng)壓擾動(dòng)影響,多次動(dòng)壓擾動(dòng)是導(dǎo)致煤層巷道群難以維護(hù)的直接原因。

5)采用水力切頂方案的N2106工作面對(duì)大巷的擾動(dòng)范圍減小,可見水力切頂卸壓手段可有效減小采煤工作面動(dòng)壓擾動(dòng)范圍,減小巷修工程量,對(duì)保護(hù)大巷有利。

2.2 微震監(jiān)測(cè)分析

2021年，余吾煤業(yè)安裝了波蘭進(jìn)口的ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),此系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面周邊圍巖活動(dòng)情況,記錄微震事件發(fā)生的時(shí)間、位置及能量大小,可用于分析采動(dòng)應(yīng)力對(duì)工作面周邊圍巖造成的影響范圍。分別選取2021年6月N1105、N2203兩個(gè)工作面的微震數(shù)據(jù),生成剖面圖，如圖6、圖7所示。

圖6 N1105工作面微震事件分布

圖7 N2203工作面微震事件分布

通過對(duì)N1105、N2203工作面微震事件發(fā)生區(qū)域進(jìn)行分析，可以得出：N1105工作面微震事件大部分發(fā)生在水平方向滯后工作面226 m、超前工作面255 m范圍內(nèi),垂直方向大部分事件發(fā)生煤層往上80 m、底板往下30 m范圍內(nèi);N2203工作面微震事件大部分分布在水平方向滯后工作面230 m、超前工作面315 m范圍內(nèi),垂直方向大部分事件發(fā)生在煤層往上100 m、底板往下40 m范圍內(nèi)。可以看出,監(jiān)測(cè)到的微震活動(dòng)區(qū)域超前工作面255～315 m,與現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)壓對(duì)大巷造成的中心擾動(dòng)半徑257～306 m相差不大,二者很好地進(jìn)行了相互驗(yàn)證。

3 護(hù)巷方案

綜合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及微震監(jiān)測(cè)情況,確定采煤工作面停采線與大巷的安全距離至少為255 m,最優(yōu)在300 m以上。停采線距離大巷過遠(yuǎn)會(huì)對(duì)煤炭資源造成極大浪費(fèi),停采線過近又會(huì)對(duì)巷道穩(wěn)定造成重大影響,所以實(shí)際工作中需綜合進(jìn)行權(quán)衡。余吾煤業(yè)通過近些年經(jīng)驗(yàn)總結(jié),形成了“主動(dòng)加固+主動(dòng)卸壓”相結(jié)合的護(hù)巷方案,在減少停采線距離的情況下保障大巷穩(wěn)定。具體方案如下。

3.1 主動(dòng)加固

在工作面進(jìn)入末采階段前,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)提前預(yù)判工作面對(duì)大巷的動(dòng)壓擾動(dòng)范圍,及時(shí)對(duì)影響范圍內(nèi)的巷道及硐室采取加固措施。目前余吾煤業(yè)主要采用3種主動(dòng)加固方式,具體如下:

1)采用錨網(wǎng)索配合雙鋼筋梯子粱對(duì)巷道頂、幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。常用支護(hù)參數(shù):加固錨索采用直徑為22 mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,其中頂錨索長(zhǎng)度8 300 mm,3-3-3布置,幫錨索長(zhǎng)度5 300 mm,2-2-2布置,頂、幫錨索同斷面布置,間距均為1 200 mm,排距均為800 mm;頂、幫錨索均采用3支K2350低黏度快速樹脂錨固藥卷錨固,錨固長(zhǎng)度為1 500 mm;配套采用300 mm×300 mm×16 mm的高強(qiáng)度蝶形托盤、可調(diào)心球墊及鎖具;預(yù)緊力為250 kN,初次漲拉超漲拉至300 kN,錨固力為600 kN。配套采用Φ16 mm圓鋼制作的雙鋼筋梯子梁進(jìn)行加固,支護(hù)平剖面如圖8所示。

圖8 典型錨網(wǎng)索加固平剖面示意

2)在大跨度巷道交叉點(diǎn)采用11#礦用工字鋼粱配合直徑22 mm、長(zhǎng)度為8.3 m的高強(qiáng)錨索對(duì)頂板進(jìn)行加固,形成無(wú)腿棚式支護(hù)。每處交叉點(diǎn)巷道口打設(shè)一對(duì)無(wú)腿棚,棚間距0.5 m,每根工字鋼梁打設(shè)3對(duì)總計(jì)6根錨索,使用配套高強(qiáng)鎖具。支護(hù)示意如圖9所示。

圖9 巷道交叉點(diǎn)無(wú)腿棚式支護(hù)示意

3)在部分特殊巷段及硐室區(qū)域使用型號(hào)為DW42-250/110X的單體液壓支柱配合π型鋼粱形成“一粱三柱”形式對(duì)頂板加強(qiáng)支護(hù),單體柱墊鞋板,棚距一般為0.8 m±0.1 m,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錨桿支護(hù)排距進(jìn)行調(diào)整,π型鋼梁長(zhǎng)度也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道斷面寬度進(jìn)行調(diào)整。支護(hù)示意如圖10所示。

圖10 單體柱棚支護(hù)平剖面示意

3.2 主動(dòng)卸壓

在工作面末采期或者收尾結(jié)束，支架未回撤前,對(duì)相鄰巷道或者工作面頂板采取高壓水力切頂卸壓措施,減小工作面上方采空區(qū)懸臂梁長(zhǎng)度,減弱堅(jiān)硬頂板的應(yīng)力傳遞,從而減小對(duì)大巷群的擾動(dòng)影響[12-14]。

3.2.1典型施工參數(shù)

1)末采期相鄰巷道水力切頂卸壓。以N1206工作面為例,利用N1206膠順輔運(yùn)巷與工作面切眼平行的優(yōu)勢(shì),可在工作面末采期提前對(duì)巷道頂板進(jìn)行切頂卸壓。鉆孔平面布置如圖11所示,剖面如圖12所示。

圖11 N1206工作面水力切頂孔平面布置示意

圖12 N1206工作面水力切頂孔剖面示意

a.鉆孔布置參數(shù):面朝工作面煤墻,距離工作面煤墻頂角往外0.5 m處施工切頂鉆孔,在N1206膠順輔運(yùn)巷布置21個(gè),N1206膠帶順槽布置7個(gè),孔間距10 m,深度42 m。其中，N1206膠順輔運(yùn)巷鉆孔仰角45°(圖12(a)),N1206膠帶順槽鉆孔仰角55°(圖12(b))。

b.利用KZ54型切槽鉆頭對(duì)鉆孔底部堅(jiān)硬巖層進(jìn)行橫向切槽,安裝壓裂桿,頭部采用跨式膨脹型封孔器對(duì)切槽區(qū)域進(jìn)行封孔。

c.配套使用3ZSB80/62-90型高壓柱塞泵進(jìn)行倒退式壓裂,每壓裂1次后退3 m,前3次壓裂保壓時(shí)間30 min,之后保壓20 min,壓裂至孔口往上13 m處結(jié)束,繼續(xù)下一循環(huán)。

2)收尾期工作面水力切頂卸壓。以N2103工作面為例,工作面回采結(jié)束,支架未回撤前在切眼頂板打設(shè)切頂孔進(jìn)行高壓水力壓裂施工,鉆孔平剖面布置如圖13所示。

圖13 N2103工作面水力切頂孔平剖面示意

鉆孔施工參數(shù):工作面切眼長(zhǎng)度320 m,鉆孔間距10.5 m(每6組架壓裂一次),高抽巷口處10 m范圍內(nèi)不壓裂,總共布置30個(gè)水力壓裂鉆孔。鉆孔間距10.5 m,從排頭1#架開始,采用Φ56 mm鉆頭,利用ZLJ250地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn),鉆孔深度40 m,仰角75°,與煤墻夾角20°。其他鉆孔切槽、封孔及壓裂施工標(biāo)準(zhǔn)參考工作面末采期相鄰巷道水力切頂卸壓。

3.2.2效果分析

為評(píng)估N1206工作面水力壓裂切頂卸壓效果,分別在工作面對(duì)應(yīng)的3條巷道(N1206膠順輔運(yùn)巷、西翼2#回風(fēng)大巷、西翼進(jìn)風(fēng)大巷)各布置10組表面位移測(cè)站,從工作面開始收尾到支架回撤完畢,匯總巷道變形數(shù)據(jù)見表2所示。

由表2可以看出,N1206工作面相鄰巷道采取水力切頂卸壓措施后,10個(gè)月內(nèi)巷道兩幫累計(jì)位移量在565～758 mm之間,頂?shù)装謇塾?jì)位移量在518～679 mm之間。而根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),比如N1202、N1102工作面僅采取提前加固措施未采取水力切頂卸壓措施,對(duì)應(yīng)大巷頂?shù)装遄冃瘟恳话阍?～1.2 m左右,兩幫變形量在1.2～1.4 m左右?？梢姴扇∷η许敶胧┛娠@著減小巷道變形量。

表2 巷道變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

余吾煤業(yè)2020年分別對(duì)N1206、N2103兩個(gè)工作面開展了水力切頂試驗(yàn),取得了預(yù)期效果。其中N2106工作面距離大巷最近為151 m,N2103工作面距離大巷最近為158 m。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出,通過采取主動(dòng)加固、主動(dòng)卸壓兩種護(hù)巷方案,可使停采線距離大巷最小安全距離達(dá)到150 m,現(xiàn)場(chǎng)修巷工程量大大減少,保障了巷道穩(wěn)定,提升了煤炭資源回收率。

4 結(jié)論

通過對(duì)余吾煤業(yè)北風(fēng)井東西翼采區(qū)大巷受采動(dòng)影響范圍進(jìn)行分析,結(jié)合微震活動(dòng)規(guī)律,對(duì)采煤工作面停采線與大巷的安全距離進(jìn)行了探討?，F(xiàn)場(chǎng)開展了水力切頂護(hù)巷試驗(yàn),最終得出以下結(jié)論。

1)以工作面停采線中心及兩側(cè)邊緣點(diǎn)為圓心畫半圓,將煤巷群受動(dòng)壓擾動(dòng)的范圍進(jìn)行覆蓋,提出中心動(dòng)壓擾動(dòng)半徑及邊角動(dòng)壓擾動(dòng)半徑的概念。選取4個(gè)典型采煤工作面進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)比總結(jié),得出采煤工作面對(duì)煤巷群的中心動(dòng)壓擾動(dòng)半徑最小為257 m,最大為306 m,邊角動(dòng)壓擾動(dòng)半徑最小為166 m,最大為300 m。

2)工作面停采線距離大巷過近,會(huì)使煤巷群受動(dòng)壓擾動(dòng)次數(shù)及范圍增加,加劇巷道的破壞程度,對(duì)安全生產(chǎn)不利。采區(qū)煤層大巷群加固范圍的確定,不僅要考慮工作面正前方動(dòng)壓擾動(dòng)影響,還需充分考慮采空區(qū)邊角處的動(dòng)壓擾動(dòng)影響。停采線邊角處兩側(cè)為實(shí)體煤或者相鄰工作面停采線錯(cuò)位過大,需考慮適當(dāng)加大邊角處的巷道加固范圍;反之則適當(dāng)減小巷道加固范圍。

3)采煤工作面停采線與大巷安全距離的確定,在不采取任何加固措施的情況下,要保證煤層大巷群不受擾動(dòng)或少受擾動(dòng),停采線與煤層大巷的安全距離最小不應(yīng)少于255 m,最優(yōu)需大于300 m。

4)工作面末采期采用水力切頂卸壓措施可使大巷受動(dòng)壓擾動(dòng)范圍及變形量減小,間接減少巷修工程量。采用“主動(dòng)加固+主動(dòng)卸壓”兩種方式相結(jié)合的護(hù)巷方案,經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,可使工作面停采線與大巷安全距離減少至150 m,提升了煤炭資源回收率,同時(shí)也保障了大巷的安全穩(wěn)定。