礦井深部巷道切頂卸壓圍巖變形控制技術研究

石 巖，張 倩，龐 博

(1.潞安職業(yè)技術學院，山西 長治 046204；2.應急管理部信息研究院，北京 100037)

在我國煤礦礦井逐漸轉(zhuǎn)入深部開采的趨勢下，深部圍巖變形控制已成為巷道支護研究的重要內(nèi)容，深部巷道在原巖應力及采動應力影響下極易發(fā)生變形破壞，造成支護失效。

國內(nèi)外研究學者針對深部巷道變形控制進行了大量研究，張文龍等[1]針對深部軟巖巷道支護困難，利用巖石力學實驗及有限元分析法確定柔性與剛性聯(lián)合支護方法，即通過應用“噴混 + 錨桿 + 注漿 + U 型鋼支架”能夠充分發(fā)揮讓壓功能和圍巖變形控制的目的，提高巷道穩(wěn)定性；郭現(xiàn)偉等[2]利用FLAC3D分析不同支護參數(shù)下巷道圍巖應力、位移及塑性區(qū)變化特征，在保障合理掘巷速度下確定巷道最優(yōu)支護參數(shù)；譚香等[3]深部沖擊高應力巷道變形現(xiàn)場，利用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗等多種方法確定“卸壓控制+讓壓支護”等的卸壓支護技術，實現(xiàn)巷幫最大變形300 mm，底板最大變形171 mm，較原支護有較大改善，有效實現(xiàn)高應力巷道變形控制；卓軍等[4]針對復合頂板半煤巖巷圍巖變形嚴重問題，通過分析圍巖變形機理，研發(fā)掘進巷道強力掩護裝備，通過現(xiàn)場實踐，方案設備能夠有效提高頂板完整性及巷道錨固質(zhì)量，提升弱粘結(jié)復合頂板掘進支護速度，緩解礦井采掘緊張關系；韓圖門烏力吉[5]針對巷道貫通時巷道穩(wěn)定性差、頂板破碎等現(xiàn)象，提出人工復合頂板及人工柔模澆筑等技術控制圍巖變形，現(xiàn)場試驗表明，該方案能夠有效避免三角煤柱垮落現(xiàn)象。上述研究內(nèi)容對深部巷道支護方式進行大量研究，但主要針對支護參數(shù)理論計算、數(shù)值模擬驗證分析等方面，缺少對巷道力學環(huán)境的內(nèi)在分析，且不同巷道支護方式并不能通用。

本文以潞安集團司馬煤礦1206工作面回風巷為工程背景，巷道頂板巖層穩(wěn)定且厚度大，造成應力向煤柱幫及巷道底板傳遞，且圍巖在采動應力作用下，巷道變形嚴重，原支護失效，針對上述現(xiàn)象，在原巷道支護基礎上提出頂板爆破切頂卸壓方式進行巷道圍巖控制。

1 工程概況

1206工作面位于3號煤層，煤層平均厚度6.35 m，近水平分布，平均傾角6°.1206工作面東側(cè)為1208工作面，已采畢，北側(cè)為二采區(qū)，處于施工階段，南側(cè)為井田邊界，西部為未施工區(qū)。1206工作面巷道尺寸5.2 m×3.2 m(寬×高)，沿煤層底板掘進，巷道頂?shù)装鍘r性如表1所示，其中基本頂厚5.44 m，直接頂厚1.7 m，直接底厚0.45 m，基本底厚3.75 m.在原支護條件下，巷道變形較大，其中巷道頂板最大變形量643 mm，底板最大變形量526 mm，煤柱幫最大變形量872 mm，煤壁幫最大變形量579 mm，在巷道部分區(qū)域支護構件破斷失效。

表1 3號煤層頂?shù)装鍘r性

2 切頂卸壓應用原理

工作面回采情況下，巷道臨空側(cè)基本頂呈“O-X”破斷，其中巷道礦壓主要來自關鍵塊自重及回轉(zhuǎn)作用。由于巷道頂板圍巖厚堅，煤層開采后無法及時垮落，造成圍巖變形劇烈，支護失效，通過頂板關鍵塊爆破預裂，降低其完整性，減少關鍵塊回轉(zhuǎn)形成的礦壓集中現(xiàn)象，其具體作用原理如圖1所示。

圖1 巷道切頂卸壓原理示意

分析圖1可知，理想狀態(tài)下，通過爆破切頂，將關鍵塊B劃分為B1和B2兩塊，其中B1的尺寸取決于巷道和煤柱尺寸，B2滑落失穩(wěn)，則關鍵塊B重量減少，減小了對巷道圍巖的擠壓作用，實現(xiàn)了改善巷道受力環(huán)境，降低了巷道頂板及煤柱的圍巖變形量。

將基本頂視為板結(jié)構分析，當基本頂未采用切頂技術時，四周支撐變化如圖2所示。在基本頂初次破斷前，巷道為四周固支結(jié)構；在初次破斷后，形成三邊固支，一邊簡支的板支撐結(jié)構，則基本頂初次來壓步距(L1)和周期來壓(L2)步距[6-9]。爆破切頂后，基本頂未初次破斷前，爆破造成一側(cè)形成簡支結(jié)構，即三邊固支，一邊簡支，初次破斷后，則變?yōu)閮蛇吅喼?，兩邊固支的支撐結(jié)構，爆破后周期來壓步距(L3)所示，切頂情況下基本頂初次破斷前后受力如圖3所示。

圖2 未切頂情況下基本頂初次破斷前后基本頂受力示意

圖3 切頂情況下基本頂初次破斷前后基本頂受力示意

(1)

式中：q為覆巖重量，kN/m3；δ(1,2,3)為幾何形狀系數(shù)；η為圍巖泊松比；h為基本頂厚度；αk為基本頂抗拉強度，根據(jù)圖2和圖3所示可知，可3個系數(shù)相等。

隨著固支邊數(shù)量減小，來壓步距逐漸減小，即L1>L2>L3，說明通過爆破切頂能夠有效降低來壓基本頂斷裂長度，改善巷道礦壓環(huán)境。

3 爆破切頂卸壓設計

依據(jù)礦井實際地質(zhì)條件，方案擬采用定性精準爆破方式對基本頂關鍵塊B進行切頂縫卸壓，具體設計方案如圖4所示。

圖4 爆破切頂裝藥結(jié)構示意

每組設計3個鉆孔，按照(中長-短-長)的炮孔長度進行設計施工，使得基本頂切縫裝藥采用連續(xù)不耦合方式，分三段裝藥。具體一組鉆孔的布置如下：第一個鉆孔長度為11 m，需裝藥長度為6 m，并安裝D60 mm定位塊，進行炮泥封孔段長度為5 m；第二個鉆孔長度為9 m，需裝藥長度為9 m，并安裝D60 mm定位塊，進行炮泥封孔段長度為6 m；第三個鉆孔長度為25 m，需裝藥長度為12 m，并安裝D60 mm定位塊，進行炮泥封孔段長度為10 m，留距離鉆孔口3 m區(qū)域范圍不進行封堵。其中定位塊主要的功能是確保爆破能量轟散方向與預裂方向相同，爆破聚能裝置具體如圖5所示，爆破鉆孔布置如圖6所示。

圖5 爆破聚能裝置

圖6 爆破鉆孔布置示意(mm)

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

為驗證爆破切頂卸壓效果，對1206工作面回風巷前300 m進行切縫卸壓效果監(jiān)測試驗，監(jiān)測內(nèi)容主要有頂?shù)装逡平?、兩幫變形量，監(jiān)測點共布置3個，間距100 m，監(jiān)測周期30 d，監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖7 巷道圍巖變形監(jiān)測示意

分析圖7可知，巷道圍巖變形均呈現(xiàn)先急速變形后穩(wěn)定變形，其中煤柱幫變形較大，頂板次之，煤壁幫再次之，底板變形量最小。巷道煤柱幫在22 d后變形逐漸趨于穩(wěn)定，最大變形量173 mm；頂板變形量也在22 d后趨于穩(wěn)定值，最大變形量124 mm，煤壁幫變形量與頂板變形量相差不大，在20 d后趨于穩(wěn)定值，最大變形量113 mm，巷道底板于20 d后趨于穩(wěn)定值，最大變形量80 mm.基于原支護方案巷道圍巖最大變形量，爆破切頂卸壓后巷道頂板、底板、煤柱幫和煤壁幫變形較原支護方案圍巖變形控制能力提高了80.7%、84.8%、80.2%和80.5%，說明爆破切頂后對巷道圍巖變形具有明顯的控制作用。

5 結(jié) 語

1) 巷道劇烈礦壓環(huán)境主要源于基本頂破斷后巷道上方回轉(zhuǎn)關鍵塊自重及回轉(zhuǎn)，爆破卸壓方案通過降低其完整性改善巷道圍巖應力環(huán)境。

2) 結(jié)合基本頂梁結(jié)構假設和初次來壓步距和周期來壓步距理論，確定爆破切頂后，基本頂固支邊減少，簡支邊增加，能夠有效減少來壓基本頂斷裂長度，改善巷道礦壓環(huán)境。

3) 通過進行爆破切頂卸壓巷道圍巖變形監(jiān)測，確定巷道頂板、底板、煤柱幫和煤壁幫最大變形量分別為124 mm、80 mm、173 mm和113 mm，較原支護方案條件下圍巖變形控制能力分別提高了80.7%、84.8%、80.2%和80.5%.