漳村礦采區(qū)動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定性分析及治理措施研究

馮艷杰

(潞安集團(tuán)漳村煤礦，山西 長治 046000)

煤層動(dòng)壓巷道已經(jīng)成為影響煤礦安全生產(chǎn)的重要因素之一，動(dòng)壓巷道比一般巷道面臨的圍巖條件更為復(fù)雜，兩幫為低強(qiáng)度的煤體，直接頂和直接底由力學(xué)性質(zhì)較差的砂質(zhì)巖和泥質(zhì)巖組成，而力學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的深部圍巖組成老頂和老底；除此之外，動(dòng)壓巷道圍巖受載條件復(fù)雜，在工作面超前支承壓力的影響下[1-2]，圍巖底鼓和兩幫移近的現(xiàn)象更為強(qiáng)烈。由此可見，對(duì)井下采區(qū)動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析并提出針對(duì)性的治理措施具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究對(duì)象

本文依托漳村煤礦西下山材料巷和25采區(qū)材料巷、膠帶巷等動(dòng)壓巷道為工程背景進(jìn)行研究。

25采區(qū)巷道(紅色標(biāo)注)為南北向平行布置，西下山巷道為東西向布置，巷道間距均為30 m(中-中)，斷面均為5 m(寬)×3.5 m(高)；該采區(qū)內(nèi)布置6個(gè)工作面，目前2505工作面正在回采，2506工作面正在圈定。巷道均采用錨網(wǎng)支護(hù)，立交點(diǎn)及地質(zhì)構(gòu)造區(qū)采用工鋼錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。采區(qū)巷道布置關(guān)系如圖1 所示。

2 動(dòng)壓巷道變形情況

2.1 西下山材料巷

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，西下山材料巷整條巷道在3 400～3 650 m范圍內(nèi)變形較嚴(yán)重，主要體現(xiàn)為北幫U型鋼棚肩角位置受壓嚴(yán)重，U型鋼棚肩角弧線壓直；局部區(qū)域可見少量幫鼓現(xiàn)象，棚頂尖銳，兩側(cè)棚腿有明顯變形，最大變形量達(dá)0.2 m；個(gè)別鋼棚有扭曲變形。典型變形有7處，具體統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖1 采區(qū)巷道布置關(guān)系

2.2 25采區(qū)材料巷

25采區(qū)材料巷分段呈現(xiàn)“頂板下沉、兩幫移近、底鼓”等現(xiàn)象，西幫呈現(xiàn)出整體向巷內(nèi)滑移現(xiàn)象，而東幫呈現(xiàn)出肩凸、腰凹、腳凸現(xiàn)象，且西幫移近量普遍大于東幫；兩幫與頂板交聯(lián)程度較差，西幫滑移變形已使部分頂錨桿進(jìn)入煤體內(nèi)部。從巷道變形破壞的形態(tài)來看，巷道既受到水平方向的推力使兩幫移近、頂板壓縮，也受到豎直方向的壓力使兩幫褶疊幫鼓、頂板下沉。典型變形有9處，具體統(tǒng)計(jì)如表2所示。

2.3 25采區(qū)膠帶巷

25采區(qū)膠帶巷整體頂板較為破碎，西幫變形較大。局部區(qū)域頂板下沉、鋼梁彎曲，東幫底端外鼓，U型棚頂變尖銳。典型變形有3處，具體統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表1 西下山巷典型變形統(tǒng)計(jì)

表2 25采區(qū)材料巷典型變形統(tǒng)計(jì)

表3 25采區(qū)膠帶巷典型變形統(tǒng)計(jì)

3 動(dòng)壓巷道應(yīng)力場(chǎng)分析及鉆孔窺視驗(yàn)證

動(dòng)壓巷道受載條件復(fù)雜，不僅受到原巖應(yīng)力場(chǎng)作用，還受到構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的作用[3-4]，多種應(yīng)力復(fù)合作用導(dǎo)致動(dòng)壓巷道圍巖變形嚴(yán)重；本文在分析應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巷道影響的原因后采用鉆孔窺視儀探測(cè)煤(巖)體內(nèi)部發(fā)育情況來驗(yàn)證分析結(jié)果。

3.1 應(yīng)力場(chǎng)分析

3.1.1 原巖應(yīng)力場(chǎng)

結(jié)合之前井下近25采區(qū)(實(shí)際地點(diǎn)為23采區(qū)排水風(fēng)巷2號(hào)貫通向南20 m處)地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該處最大水平主應(yīng)力，方向?yàn)镹W57.1°，最小水平主應(yīng)力，垂直主應(yīng)力；可知該處垂直主應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力，圍巖原巖應(yīng)力以自重應(yīng)力場(chǎng)為主。

3.1.2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

從圖1中的底板等高線可知，25采區(qū)大巷的0～650 m范圍內(nèi)在局部區(qū)域?qū)儆谛∠蛐睒?gòu)造，650～900 m范圍內(nèi)在局部區(qū)域?qū)儆谛”承睒?gòu)造，但整體而言25采區(qū)大巷所處位置底板起伏比較小，所有巷道周邊均未見較大斷層。

3.1.3 采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)

從圖1中可以看到，25采區(qū)大巷東西兩側(cè)分別為22采區(qū)和25采區(qū)的采空區(qū)，其中，105～665 m為2502和2503的采空區(qū)。隨著22采區(qū)工作面的回采，25采區(qū)實(shí)體煤承擔(dān)了上覆巖層中的相當(dāng)一部分重量且回采面積越大，承載重量越大；但隨著25采區(qū)工作面的回采，其上覆巖層重量轉(zhuǎn)由25采區(qū)大巷煤柱實(shí)體煤來承擔(dān)，在雙重采動(dòng)影響下，大巷煤柱應(yīng)力集中，巷道變形嚴(yán)重。

從三種應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，可以得出，對(duì)于最大水平主應(yīng)力，與東西向布置的巷道存在23.9°的銳角，最大水平應(yīng)力的分力為沿巷道東西走向，垂直于巷道幫壁面的分力較小，雖在一定程度上將會(huì)促進(jìn)25采區(qū)巷道西幫幫鼓，但整體對(duì)西下山材料巷的穩(wěn)定性的影響較?。粚?duì)于構(gòu)造應(yīng)力，25采區(qū)巷道布置范圍內(nèi)無較大地質(zhì)構(gòu)造，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)25采區(qū)巷道變形的影響可忽略不計(jì)；對(duì)于采動(dòng)應(yīng)力，22采區(qū)采空范圍大，上覆巖層回轉(zhuǎn)下沉造成的擾動(dòng)在25采區(qū)大巷變形中起主導(dǎo)作用；在上覆巖層回轉(zhuǎn)下沉過程中，一是豎直方向的應(yīng)力增加使煤體破裂；二是形成的水平方向的應(yīng)力分量使煤體水平滑移，由此造成25采區(qū)巷道頂板下沉、底鼓、兩幫滑移，且東幫變形嚴(yán)重。

3.2 鉆孔窺視驗(yàn)證

為提高驗(yàn)證準(zhǔn)確性，分別在25采區(qū)材料巷250 m、470 m、520 m、535 m、600 m、615 m處設(shè)置6個(gè)頂板窺視孔和25采區(qū)專回350 m、460 m、540 m、640 m處布置4個(gè)巷幫窺視孔，其觀察結(jié)果如下：

1) 窺視結(jié)果顯示頂板上方5.2～5.7 m為泥巖直接頂，平均厚度5.45 m，直接頂上方5.3～9.5 m為中粒砂巖老頂，平均厚度7.4 m，具有水平層理和斜層理；

2) 橫向方向，470 m和615 m處兩孔較為破碎，存在局部張拉裂隙；

3) 縱向方向，頂板直接頂縱向裂隙較多，主要集中在3.8～4.9 m，且分別在0.7 m和2.8 m兩處產(chǎn)生離層，老頂整體完整性較好；

4) ?；匚鲙?～2.3 m煤體較為破碎，3.1～5.3 m裂隙發(fā)育；東幫0～0.9 m煤體較為破碎，2.1～3.6 m裂隙發(fā)育。

綜上所述，鉆孔窺視結(jié)果與應(yīng)力場(chǎng)分析原因相互印證，頂板窺視表明巖層相對(duì)穩(wěn)定，兩幫窺視結(jié)果顯示兩幫為非對(duì)稱破壞，且西幫破壞深度比東幫要深；綜合其原因?yàn)?2采區(qū)上覆巖層下沉回轉(zhuǎn)導(dǎo)致巷道東幫的水平滑移大于西幫，西幫所受垂直應(yīng)力大于東幫，因此西幫破壞深度更大。

4 巷道治理技術(shù)措施

結(jié)合上述分析的巷道破壞原因，提出針對(duì)性的巷道治理技術(shù)措施來消除巷道重復(fù)修理難題。

4.1 改造施工

對(duì)25采區(qū)專回、材料巷以刷東幫施工為主，刷西幫時(shí)以刷幫后距瓦斯抽放管路500 mm(刷至實(shí)體煤)為宜進(jìn)行控制，刷幫后總巷寬不小于4.6 m；膠帶巷部分頂板下沉嚴(yán)重地段刷幫挑頂改造并套架U29拱架支護(hù)。

4.2 注漿加固

使用水泥漿或者水泥水玻璃雙漿液為注漿材料，依次對(duì)?；?材料巷-膠帶巷進(jìn)行注漿，注漿施工設(shè)置參數(shù)如表4所示。

表4 注漿施工參數(shù)

5 結(jié) 語

本文通過對(duì)漳村礦3條動(dòng)壓巷道進(jìn)行地應(yīng)力實(shí)測(cè)、應(yīng)力場(chǎng)分析、鉆孔窺視儀驗(yàn)證分析結(jié)果，針對(duì)性地提出了治理技術(shù)措施，該措施在井下實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果，有效控制了圍巖變形，為其它采區(qū)巷道出現(xiàn)類似情況提供參考依據(jù)，同時(shí)減少了重復(fù)投入施工的次數(shù)，保證了巷道服務(wù)年限，對(duì)促進(jìn)礦井可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。