密集抽采鉆孔及浸水蠕變作用下底抽巷圍巖控制技術(shù)研究

李高健，韋金龍，楊竹軍，趙寶友

(1. 山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 高平 048499；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

目前，最安全、最高效的區(qū)域瓦斯防治方法是保護(hù)層開(kāi)采和瓦斯抽采[1-4]。鑒于底抽巷穿層鉆孔抽采措施具有安全性高、鉆孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、抽采期長(zhǎng)、鉆孔布置均勻、抽采效果可靠、一巷多用、總體經(jīng)濟(jì)投入低、緩解采掘緊張等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在不具備保護(hù)層開(kāi)采條件的單一低滲透高瓦斯煤層較為普遍應(yīng)用[5-7]。為實(shí)現(xiàn)底抽巷上行鉆孔抽采技術(shù)的高效抽采，需在底抽巷頂板和兩幫打設(shè)間排距0.5～1m的大直徑上行密集抽采鉆孔，而密集抽采鉆孔的打設(shè)勢(shì)必會(huì)造成底抽巷圍巖完整性破壞和強(qiáng)度降低；加之工程用水及頂板裂隙水浸入到完整性已破壞的底抽巷圍巖內(nèi)，使得底抽巷服役期間其穩(wěn)定性顯著受到浸水軟化蠕變的行為的影響。以往關(guān)于底抽巷的研究主要關(guān)注底抽巷層位選擇、抽采工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、圍巖穩(wěn)定性控制三大方面[8-14]。但目前尚缺少密集抽采鉆孔及浸水軟化蠕變效應(yīng)共同作用下底抽巷穩(wěn)定性的深入研究。

山西組下部的3號(hào)煤層厚4.60～6.83m，均厚5.78m，是長(zhǎng)平礦的主力開(kāi)采煤層。由于長(zhǎng)平礦3號(hào)煤層為典型的松軟、低透氣性高瓦斯層，且不具備保護(hù)層開(kāi)采條件，設(shè)計(jì)采用底抽巷穿層鉆孔抽采技術(shù)進(jìn)行3號(hào)煤層區(qū)域瓦斯防治。長(zhǎng)平礦生產(chǎn)實(shí)踐表明，底抽巷上行抽采鉆孔打設(shè)后底抽巷兩幫內(nèi)移變形和頂板下沉顯著，極易發(fā)生潰幫、冒頂?shù)认锏朗Х€(wěn)事故，嚴(yán)重威脅著底抽巷的長(zhǎng)期安全服役。鄰近類(lèi)似地質(zhì)條件下的趙莊煤業(yè)已發(fā)生過(guò)底抽巷冒頂事故[15]。因此，有必要對(duì)長(zhǎng)平礦密集抽采鉆孔擾動(dòng)及頂板裂隙水浸水軟化蠕變作用下底抽巷圍巖穩(wěn)定性控制進(jìn)行研究，保障底抽巷的安全服役，充分發(fā)揮底抽巷的功能，促進(jìn)礦井的安全高效生產(chǎn)。

1 長(zhǎng)平礦底抽巷概況

長(zhǎng)平礦結(jié)合3號(hào)煤層地質(zhì)賦存特征及現(xiàn)有開(kāi)采技術(shù)條件，確定3號(hào)煤層下方的K6灰?guī)r和K7砂巖之間的泥巖層為底抽巷的最佳層位，如圖1所示。由于K6灰?guī)r和K7砂巖之間泥巖均厚2～3m，底抽巷高度為3.3m，底板K6巖層強(qiáng)度高，綜掘機(jī)無(wú)法有效破K6巖層，嚴(yán)重制約掘進(jìn)效率，為此需破頂板K7砂巖掘進(jìn)底抽巷?？紤]到頂板K7巖層均厚1～2m，且K7頂板經(jīng)常缺失，一旦K7被破或缺失，其上方的泥巖將被揭露，巷道圍巖穩(wěn)定性將受到影響。圖2給出的長(zhǎng)平礦5304工作面及其底抽巷穿層抽采鉆孔布置方案表明，工作面下方三條底抽巷穿層抽采鉆開(kāi)孔位置間距為0.5～2m，如此密集的?113mm大直徑穿層抽采鉆孔的施做擾動(dòng)將造成底抽巷上方僅1～2m厚甚至缺失的K7砂巖和其上的砂質(zhì)泥巖巖層完整度和強(qiáng)度的降低，工程用水和頂板裂隙水浸入完整度破壞的頂板巖層內(nèi)進(jìn)一步軟化巷道圍巖。長(zhǎng)平礦以往工程實(shí)踐表明，在密集穿層抽采鉆孔及浸水軟化共同作用下，底抽巷服役期間其頂板下沉和兩幫內(nèi)移變形顯著，幫部和頂?shù)装遄畲笠平靠蛇_(dá)0.5～1m，為安全考慮，需超前工作面300～400m采取密閉措施遺棄底抽巷，為實(shí)現(xiàn)底抽巷輔助回風(fēng)、抽采采空區(qū)瓦斯等一巷多用的功效。因此，急需結(jié)合長(zhǎng)平礦底抽巷實(shí)際情況，分析其底抽巷大變形機(jī)制，提出科學(xué)合理的底抽巷圍巖穩(wěn)定控制措施，保證底抽巷的安全長(zhǎng)期服役。

圖1 長(zhǎng)平礦3號(hào)煤層底抽巷巖層柱狀

2 底抽巷圍巖失穩(wěn)機(jī)制分析

2.1 底抽巷圍巖強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)特征

底抽巷泥巖黏土類(lèi)礦物成分含量表見(jiàn)表1，底抽巷泥巖粘土類(lèi)礦物成含量為38.6%，長(zhǎng)平礦3號(hào)煤層底抽巷泥巖為典型的軟巖巖層。巖石基本物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，與自然含水狀態(tài)相比，飽和含水狀態(tài)下底抽巷泥巖的物理力學(xué)參數(shù)降低32.37%～42.15%，軟化系數(shù)為0.676。分級(jí)加載蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，底抽巷泥巖平均長(zhǎng)期強(qiáng)度為10.89MPa，分別是自然含水和飽和含水單軸抗壓強(qiáng)度的52.6%和77.8%，其長(zhǎng)期強(qiáng)度下降明顯。底抽巷泥巖自然含水和飽和含水試樣表明，長(zhǎng)平礦3號(hào)煤層底抽巷泥巖含有間距厘米級(jí)的原生宏細(xì)觀(guān)裂隙，在長(zhǎng)期浸水作用下原生宏觀(guān)裂隙擴(kuò)展增長(zhǎng)，部分原生細(xì)觀(guān)裂隙變?yōu)楹暧^(guān)裂隙，說(shuō)明底抽巷泥巖具有遇水碎裂的特征。無(wú)論是自然含水還是浸水飽和泥巖，其破裂形式大都表現(xiàn)為橫向膨脹及縱向劈裂的破壞特征。現(xiàn)場(chǎng)踏勘與測(cè)試表明，與標(biāo)準(zhǔn)試樣相一致，長(zhǎng)平礦3號(hào)煤層底抽巷掘進(jìn)后暴露的新鮮泥巖含有大量厘米級(jí)間距的原生宏細(xì)觀(guān)裂隙，這些宏細(xì)觀(guān)裂隙將泥巖分割成大小不一的巖石塊體，徒手彎折或相互撞擊即可將泥巖沿其宏觀(guān)裂隙折斷；施做抽采鉆孔后底抽巷巷幫表面以里0.5m范圍內(nèi)泥巖具有劈裂和碎裂破壞特征。由此可知，長(zhǎng)平礦3號(hào)煤層底抽巷泥巖為典型的裂隙化軟巖巖層。

圖2 長(zhǎng)平礦底抽巷穿層抽采鉆孔布置(m)

表1 底抽巷泥巖黏土類(lèi)礦物成分含量表

2.2 抽采鉆孔及浸水蠕變擾動(dòng)分析

長(zhǎng)平煤業(yè)3#煤層以往底抽巷變形觀(guān)測(cè)結(jié)果表明，底抽巷掘進(jìn)過(guò)程中，底抽巷頂?shù)装搴蛢蓭鸵平烤伙@著，在未受工作面采動(dòng)影響的情況下，當(dāng)抽采鉆場(chǎng)施工后的1～3個(gè)月后，底抽巷圍巖變形嚴(yán)重的區(qū)域頂?shù)装逡平恳堰_(dá)到1m，其中頂板下沉量約0.7m，底鼓量約0.3m，兩幫移近量約0.8m。為了安全回采，在超前工作面300～400m就開(kāi)始施做密閉墻，封閉廢棄底抽巷。

表2 底抽巷泥巖基本物理力學(xué)參數(shù)表

綜上可知，長(zhǎng)平礦底抽巷大變形失穩(wěn)機(jī)制與密集上行鉆孔施做擾動(dòng)及鉆孔施做期間工程用水、頂板裂隙水的長(zhǎng)期浸水軟化影響直接相關(guān)。開(kāi)孔間距0.5～2.0m，直徑?113mm的大直徑密集穿層瓦斯抽采鉆孔的施做擾動(dòng)，不僅破壞了底抽巷頂板和兩幫圍巖的完整性，還誘發(fā)鉆孔周?chē)鄮r原生宏細(xì)觀(guān)裂隙擴(kuò)展開(kāi)裂，新鮮空氣進(jìn)入裂隙風(fēng)化巖體；打鉆工程用水和頂板裂隙水滲入鉆孔周?chē)哪鄮r裂隙內(nèi)軟化泥巖，裂隙化泥巖產(chǎn)生膨脹蠕變變形，進(jìn)一步顯著弱化泥巖的強(qiáng)度，加劇破壞泥巖的完整度，使得底抽巷圍巖更加破碎，在埋深800m的高地應(yīng)力作用下，底抽巷圍巖產(chǎn)生沿原生及次生裂隙劈裂破碎，進(jìn)而誘發(fā)大變形甚至片幫、冒頂失穩(wěn)。

3 底抽巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

3.1 “型鋼預(yù)應(yīng)力注漿錨索網(wǎng)噴”綜合控制技術(shù)機(jī)制

由上述底抽巷圍巖失穩(wěn)機(jī)制分析可知，長(zhǎng)平礦3號(hào)煤層底抽巷圍巖穩(wěn)定性控制關(guān)鍵在于減小密集上行鉆孔打設(shè)擾動(dòng)對(duì)泥巖原生裂隙擴(kuò)展后的風(fēng)化作用及降低工程用水和頂板裂隙水浸入裂隙化泥巖的蠕變行為?；诖碎L(zhǎng)平礦提出“注漿加固-型鋼錨網(wǎng)-噴漿”即“型鋼預(yù)應(yīng)力注漿錨索網(wǎng)噴”綜合控制技術(shù)。該綜合控制技術(shù)采用預(yù)應(yīng)力注漿錨索一次性實(shí)現(xiàn)普通預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)和注漿加固圍巖的雙重效果，同時(shí)對(duì)K7頂板變薄或缺失段采用型鋼護(hù)表構(gòu)件，增大了錨網(wǎng)支護(hù)的護(hù)表能力，充分發(fā)揮了預(yù)應(yīng)力錨索的主動(dòng)支護(hù)加固性能。另外預(yù)應(yīng)力注漿錨索不僅加固了錨索鉆孔周?chē)牧严痘鄮r，提高了錨固圍巖的剛度和強(qiáng)度，防止裂隙化圍巖的風(fēng)化和浸水軟化蠕變行為，還杜絕了普通注漿加固圍巖工藝打設(shè)注漿孔對(duì)底抽巷圍巖的二次破壞；而且注漿后的預(yù)應(yīng)力錨索變?yōu)槿L(zhǎng)錨固預(yù)應(yīng)力錨索，其承載能力還顯著高于相同規(guī)格的普通預(yù)應(yīng)力錨索。待上行抽采鉆孔打設(shè)后及時(shí)對(duì)底抽巷圍巖進(jìn)行噴漿密閉可防止底抽巷圍巖表面風(fēng)化。

3.2 “型鋼預(yù)應(yīng)力注漿錨索網(wǎng)噴”綜合控制技術(shù)方案

長(zhǎng)平礦3號(hào)煤層底抽巷斷面設(shè)計(jì)為矩形，掘進(jìn)寬度為4.6m，高為3.3m，沿K6灰?guī)r頂板掘進(jìn)?；阱^桿支護(hù)理論及巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)賦存環(huán)境評(píng)估結(jié)果，設(shè)計(jì)常規(guī)區(qū)域的底抽巷“型鋼預(yù)應(yīng)力注漿錨索網(wǎng)噴”綜合支護(hù)技術(shù)方案如圖3所示。底抽巷頂板錨桿和注漿錨索按1.2m排距交錯(cuò)布置，每排居中布置5根型號(hào)為MSGLW-500/22-2400的W型鋼護(hù)板錨桿，間距為1.0m；每排居中布置3根型號(hào)為SKZ22-1/1770×7300的工字鋼預(yù)應(yīng)力注漿錨索，間距為1.5m，12號(hào)工字鋼長(zhǎng)3.6m；巷幫每排布置3根型號(hào)為MSGLW-500/22-2400的W型鋼護(hù)板錨桿，錨桿間排距為1.0m×1.2m。錨桿采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊力矩不小于400N·m；預(yù)應(yīng)力注漿錨索采用樹(shù)脂端頭錨固，預(yù)緊力損失后不小于200kN。水泥漿液的水灰比為1：0.8，速凝劑摻量5%～10%。對(duì)于K7變薄或缺失地段，則將上述頂板錨桿替換型號(hào)為SKZ22-1/1770×7300的注漿錨索或普通錨索，其他支護(hù)參數(shù)不變。

圖3 “型鋼預(yù)應(yīng)力注漿錨索網(wǎng)噴” 綜合控制技術(shù)支護(hù)方案(mm)

3.3 “型鋼預(yù)應(yīng)力注漿錨索網(wǎng)噴”加固效果模擬

相比于長(zhǎng)平礦底抽巷原錨桿支護(hù)方案，所提出的“型鋼預(yù)應(yīng)力注漿錨索網(wǎng)噴”支護(hù)方案僅將原支護(hù)的普通錨索和托盤(pán)替換為注漿錨索和型鋼護(hù)表構(gòu)件，并增加了注漿和噴漿措施。下面采用FLAC3D數(shù)值模擬方法對(duì)比分析兩種圍巖控制措施的效果。按現(xiàn)場(chǎng)底抽巷及穿層鉆孔施工順序分別模擬底抽巷掘進(jìn)支護(hù)、穿層鉆孔打設(shè)及底抽巷服役期間浸水蠕變?nèi)齻€(gè)階段。根據(jù)上述底抽巷泥巖力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，原支護(hù)方案下底抽巷穿層鉆孔打設(shè)后和服役期間其圍巖強(qiáng)度取其自然含水狀態(tài)的65%和53%；新支護(hù)方案下底抽巷穿層鉆孔打設(shè)后和服役期間其圍巖強(qiáng)度均取其自然含水狀態(tài)的90%。

底抽巷數(shù)值模擬變形結(jié)果如圖4、圖5所示，長(zhǎng)平煤礦3號(hào)煤底抽巷掘進(jìn)后和打設(shè)瓦斯抽采鉆孔后，底抽巷最大變形均發(fā)生在其頂板之上，兩幫次之；若不對(duì)底抽巷進(jìn)行注漿加固，掘進(jìn)后和打設(shè)瓦斯抽采鉆孔后底抽巷頂板最大變形量分別為207mm和485mm；若對(duì)底抽巷進(jìn)行注漿加固，掘進(jìn)后和打設(shè)瓦斯抽采鉆孔后底抽巷頂板最大變形量分別降至70mm和118mm，與未注漿加固相比分別降低66%和76%，可見(jiàn)注漿加固措施對(duì)底抽巷圍巖變形的良好控制效果。

圖4 打設(shè)抽采鉆孔前的變形云圖

圖5 打設(shè)抽采鉆孔后的變形云圖

進(jìn)行蠕變變形數(shù)值模擬，由模擬結(jié)果可知，在抽采鉆孔打設(shè)擾動(dòng)和浸水軟化擾動(dòng)聯(lián)合作用12個(gè)月后，未進(jìn)行注漿加固的底抽巷頂板最大變形量已達(dá)到986mm，而采用注漿加固的底抽巷頂板最大變形為146mm，注漿加固后的底抽巷蠕變變形降幅為85%，與不考慮蠕變效應(yīng)相比，底抽巷最大變形分別增加23.7%和103.3%。由此可知密集抽采鉆孔和浸水軟化擾動(dòng)會(huì)加劇長(zhǎng)平煤礦3號(hào)煤底抽巷泥巖的蠕變行為，注漿加固措施可顯著降低底抽巷泥巖的蠕變特性，提高其抗變形能力。

抽采鉆孔及浸水?dāng)_動(dòng)下底抽巷頂板蠕變沉降曲線(xiàn)如圖6所示。未采用注漿加固措施下，前兩個(gè)月底抽巷頂板下沉變形蠕變曲線(xiàn)非線(xiàn)性上升，盡管其蠕變速率有減緩的趨勢(shì)，但超過(guò)兩個(gè)月后底抽巷頂板下沉變形蠕變曲線(xiàn)幾乎以恒定蠕變速率線(xiàn)性增加，12個(gè)月內(nèi)其頂板累計(jì)下沉變形已接近1m，預(yù)示著底抽巷已發(fā)生冒頂失穩(wěn)；采用注漿加固措施下，盡管前兩個(gè)月底抽巷頂板下沉變形蠕變曲線(xiàn)仍非線(xiàn)性上升，但之后兩個(gè)月內(nèi)其蠕變速率顯著非線(xiàn)性降低，再之后其蠕變速率幾乎為0，預(yù)示著底抽巷蠕變變形幾乎終止，12個(gè)月內(nèi)其頂板最大累計(jì)下沉變形僅0.146m，結(jié)合長(zhǎng)平煤礦以往變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，采用注漿加固措施下的底抽巷可處于安全服役狀態(tài)。

圖6 抽采鉆孔及浸水?dāng)_動(dòng)下底抽巷頂板蠕變沉降曲線(xiàn)

綜上數(shù)值模擬結(jié)果可知，注漿加固技術(shù)可顯著改善底抽巷泥巖的承載能力和抗變形能力，對(duì)高應(yīng)力開(kāi)挖卸荷擾動(dòng)、大孔徑密集抽采鉆孔打設(shè)擾動(dòng)和浸水軟化蠕變擾動(dòng)下底抽巷變形的抑制效果明顯，從理論上驗(yàn)證了所提出的“型鋼預(yù)應(yīng)力注漿錨索網(wǎng)噴”技術(shù)較好的加固效果。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

“型鋼預(yù)應(yīng)力注漿錨索網(wǎng)噴”底抽巷圍巖加固技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)。長(zhǎng)平礦3號(hào)煤層五盤(pán)區(qū)5304底抽1巷典型綜合測(cè)站巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。底抽巷掘進(jìn)后約兩個(gè)月后，高應(yīng)力開(kāi)挖卸荷擾動(dòng)產(chǎn)生的圍巖變形基本收斂，底抽巷頂板最大下沉變形為70～80mm，兩幫移近量為90～100mm，深淺部離層變形均為10mm左右；密集抽采鉆孔打設(shè)后，其巷道圍巖變形開(kāi)始增大，自此之后經(jīng)歷4個(gè)月左右其巷道變形速度開(kāi)始放緩，并逐漸趨于變形穩(wěn)定，最終底抽巷頂板下沉量為140mm，兩幫移近量為180mm，淺部離層量為24mm，深部離層量為35mm；與上述數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。綜合測(cè)站錨桿索軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示，底抽巷開(kāi)挖卸荷擾動(dòng)、密集抽采鉆孔打設(shè)擾動(dòng)和泥巖浸水軟化蠕變擾動(dòng)下底抽巷錨桿索軸力變化趨勢(shì)與其圍巖變形規(guī)律基本一致；底抽巷掘進(jìn)兩個(gè)月左右后其錨桿索軸力也基本穩(wěn)定，與支護(hù)初期相比頂板錨索軸力增加11%～16%，兩幫錨桿軸力增加27%～29%；密集抽采鉆孔和浸水軟化作用約4個(gè)月左右，底抽巷錨桿索軸力開(kāi)始趨于穩(wěn)定，此時(shí)底抽巷頂板錨索軸力為370～400kN，兩幫錨桿軸力為145～175kN，錨桿索均在其承載能力范圍內(nèi)正常工作。長(zhǎng)平礦底抽巷典型綜合測(cè)站的礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，與原普通錨桿索支護(hù)方案相比，以預(yù)應(yīng)力注漿錨索為核心的“型鋼預(yù)應(yīng)力注漿錨索網(wǎng)噴”綜合控制技術(shù)可顯著提高密集抽采鉆孔和浸水軟化蠕變耦合作用下底抽巷裂隙化泥巖強(qiáng)度和抗變形剛度，杜絕了底抽巷巷幫失穩(wěn)和頂板冒頂災(zāi)害，滿(mǎn)足了底抽巷的長(zhǎng)期安全服務(wù)，提高了穿層鉆孔的抽采效果，節(jié)省了大量的人力、物力，降低了巷道維護(hù)成本，緩解了工作面掘進(jìn)、回采的交接緊張，保障了長(zhǎng)平礦的安全高效開(kāi)采。

圖7 底抽巷表面位移變化趨勢(shì)

圖8 底抽巷錨桿索軸力變化趨勢(shì)

5 結(jié) 論

1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，長(zhǎng)平礦3號(hào)煤底抽巷泥巖具有結(jié)構(gòu)裂隙化、強(qiáng)度低、易風(fēng)化、浸水軟化、蠕變特性顯著的特征，為裂隙化軟巖。

2)基于底抽巷裂隙化泥巖結(jié)構(gòu)及浸水軟化特征的分析，明確了底抽巷裂隙化圍巖失穩(wěn)的密集穿層鉆孔打設(shè)擾動(dòng)和浸水軟化蠕變擾動(dòng)機(jī)制。

3)提出了以注漿錨索為核心的“型鋼預(yù)應(yīng)力注漿錨索網(wǎng)噴”底抽巷圍巖穩(wěn)定性綜合控制技術(shù)，并通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該綜合控制技術(shù)的有效性，即型鋼預(yù)應(yīng)力注漿錨索網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)可較好地控制密集抽采鉆孔和浸水軟化蠕變耦合擾動(dòng)下裂隙化泥巖底抽巷的圍巖變形，保證了底抽巷長(zhǎng)期安全服役，有效解決了長(zhǎng)平煤礦穿層瓦斯治理和采掘接續(xù)緊張問(wèn)題，有力保障了工作面的安全高效回采，可為類(lèi)似條件下底抽巷圍巖穩(wěn)定性控制提供可借鑒性參考。