大采高工作面沿空側(cè)巷道超前區(qū)域圍巖控制研究

翟春佳,鄧 亮,常毛毛

(陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000)

隨著我國井工開采地下煤炭資源科技水平的不斷提升和機(jī)械化設(shè)備的不斷創(chuàng)新,以往針對(duì)賦存厚度較大的煤層資源開采方式也有了轉(zhuǎn)變[1-3]。針對(duì)一些煤層賦存條件穩(wěn)定且厚度較大的煤層開采期間,大采高綜采技術(shù)逐步被應(yīng)用到其中[4-5]。目前大采高綜采技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于榆神礦區(qū),使單一工作面的年煤炭產(chǎn)出量創(chuàng)歷史新高,為了增加單一工作面年產(chǎn)能和延長其服務(wù)年限,往往需要規(guī)劃工作面寬度在250～300 m以上、長度在3 500～4 000 m以上,以往單一的“一進(jìn)一回”通風(fēng)方法因通風(fēng)距離過長、通風(fēng)阻力極大而無法滿足工作面的開采要求,針對(duì)此種大采高綜采工作面,往往采用雙巷布置來增大工作面內(nèi)風(fēng)流量,降低通風(fēng)阻力,使其能夠滿足工作面內(nèi)日常的通風(fēng)、運(yùn)料和行人作業(yè)需求[6]。

1 工程概況

小保當(dāng)煤礦為一座設(shè)計(jì)產(chǎn)能在1.5×107t/a的大型現(xiàn)代化礦井,隸屬于陜西煤業(yè)化工集團(tuán),是該集團(tuán)下屬核心煤企之一。目前井田范圍內(nèi)正在開采的112204工作面布置于11盤區(qū)之內(nèi),此盤區(qū)內(nèi)主采的2-2號(hào)煤層厚度變化情況根據(jù)鉆孔地質(zhì)勘探結(jié)果推斷為5.7～6.9 m之間,平均厚度為6.5 m.根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果可知,此盤區(qū)內(nèi)主采的2-2號(hào)煤層厚度傾角變化范圍小于1°,屬于近水平厚煤層開采條件。112204工作面東側(cè)為已經(jīng)回采結(jié)束的112203采空區(qū),西側(cè)為處于預(yù)掘階段的112205工作面,南側(cè)為井田的邊界線,北側(cè)為煤層開拓上山大巷群。112204工作面沿走向長約5 798 m,沿傾向?qū)捈s350 m,工作面埋深305～395 m,屬于淺埋煤層開采條件,且其相應(yīng)的服務(wù)平巷采用雙巷布置形式來滿足生產(chǎn)作業(yè)需求。

2 超前支承應(yīng)力影響分析

112204工作面開采期間,2-2號(hào)煤層內(nèi)原本穩(wěn)定的原巖應(yīng)力狀態(tài)被打破而重新分布,將會(huì)在采掘空間周圍形成側(cè)向支承應(yīng)力。根據(jù)112204工作面的工程地質(zhì)背景,優(yōu)先采用UDEC3D離散元軟件建立三維模型模擬其回采期間四周的側(cè)向支承應(yīng)力分布特征,根據(jù)模擬結(jié)果得知:112204工作面回采期間,其超前支承應(yīng)力影響范圍為工作面前方0～63.7 m,超前支承應(yīng)力的峰值應(yīng)力大約位于工作面前方16.0 m位置處,其峰值應(yīng)力大小約為38.5 MPa;同時(shí)可知,受到112204工作面超前支承應(yīng)力與鄰近112203采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力疊加影響,沿空側(cè)的112204回風(fēng)平巷超前段內(nèi)圍巖應(yīng)力環(huán)境較差,容易發(fā)生較大變形而失穩(wěn)破壞。因此112204工作面開采期間,有必要對(duì)其沿空側(cè)回風(fēng)平巷超前段圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究與控制。工作面回采期間沿空側(cè)巷道超前段圍巖受力特征如圖1所示。

圖1 沿空側(cè)巷道超前段圍巖受力示意

由圖1(a)可知,在鄰近面采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力和本區(qū)段工作面超前支承應(yīng)力疊加作用下,112204工作面沿空側(cè)的回風(fēng)平巷實(shí)體煤幫內(nèi)將會(huì)形成較高的應(yīng)力疊加區(qū),此區(qū)域內(nèi)煤巖體所承載的支承應(yīng)力值較大,容易受采動(dòng)擾動(dòng)影響而失穩(wěn)破壞誘發(fā)巷道超前段內(nèi)發(fā)動(dòng)煤巖動(dòng)力顯現(xiàn)事故;圖1(b)為圖1(a)沿著A-A剖面的平面圖,結(jié)合宋振騏院士所提出的“內(nèi)外應(yīng)力場”分布理論可知[7],112204工作面的回采推進(jìn)首先使覆巖中低位亞關(guān)鍵層破斷運(yùn)移而形成穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)體,在這一過程中,沿空側(cè)巷道圍巖內(nèi)的應(yīng)力重新分布,將會(huì)在回風(fēng)平巷實(shí)體煤幫內(nèi)形成較高的疊加應(yīng)力集中現(xiàn)象。后續(xù)覆巖內(nèi)中、高位亞關(guān)鍵層和主關(guān)鍵層發(fā)生破斷運(yùn)移而形成穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)體,進(jìn)而在遠(yuǎn)離沿空側(cè)巷道的工作面深部區(qū)域形成高應(yīng)力集中作用區(qū),但其并不會(huì)對(duì)沿空側(cè)的巷道造成影響,在此不予考慮。

上區(qū)段工作面回采期間將會(huì)對(duì)本區(qū)段沿空側(cè)預(yù)先掘好的回風(fēng)平巷造成初次擾動(dòng)影響,本區(qū)段工作面回采期間所形成的超前支承應(yīng)力進(jìn)一步導(dǎo)致回采平巷超前段圍巖受力環(huán)境惡化,容易在采動(dòng)作業(yè)影響下誘發(fā)回風(fēng)平巷強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)事故。例如2022年1月9日機(jī)尾超前區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn),頂板迅速下沉破網(wǎng)漏矸,煤柱側(cè)幫鼓超過1 m;1月14日機(jī)尾超期區(qū)域持續(xù)來壓,悶炮聲不斷,無法有效支護(hù)頂幫,導(dǎo)致嚴(yán)重冒頂事故等,這一系列的來壓事故嚴(yán)重影響到工作面的安全高效開采。

3 支承應(yīng)力疊加區(qū)數(shù)值模擬分析

由上述分析可知,沿空側(cè)回風(fēng)平巷超前段發(fā)生破壞的潛在誘因?yàn)橹С袘?yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞,在此將其視作一圓柱形煤巖柱體,基于庫倫-莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則得知其所能承載的極限支承疊加應(yīng)力如公式(1)所示。

(1)

式中:σmax為支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)所能承載的支承應(yīng)力臨界值,MPa;σ3為支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體所受到的側(cè)向圍壓大小,MPa;C為支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體的內(nèi)聚力值,MPa;φ為支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體的內(nèi)摩擦角,°.

當(dāng)支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體所受到的側(cè)向圍壓大小取值為0 MPa時(shí),基于公式(1)可以得到煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度值,如公式(2)所示。

(2)

根據(jù)三角恒等式對(duì)公式(1)中部分表達(dá)式進(jìn)行變換,如公式(3)所示。

(3)

式中:θ為支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體的剪切破斷角大小,°.

聯(lián)立公式(1)～(3)可以推導(dǎo)出支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體失穩(wěn)破壞時(shí)所需支承應(yīng)力應(yīng)滿足如下不等式。

σ≥σmax=Rc+σ3tan2θ

(4)

式中:σ為支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)所需要的支承應(yīng)力大小,MPa.

基于公式(4)可知,適當(dāng)增加側(cè)向圍壓能夠有效地增大支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)所需要的支承應(yīng)力值,同時(shí)改善煤巖體自身的剪切破斷角也能在一定程度上提升支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)所需要的支承應(yīng)力值。考慮到2-2號(hào)煤層飽和抗壓強(qiáng)度為12.4 MPa,基于公式(4)可以計(jì)算得到關(guān)于支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體在不同側(cè)向圍壓值和自身剪切破斷角條件下的支承應(yīng)力臨界值變化情況,如圖2所示。

圖2 煤巖體支承應(yīng)力臨界值變化曲線

由圖2(a)可知,在任意剪切破斷角條件下,隨著側(cè)向圍壓值由0 MPa逐步增大至10 MPa的過程中,其相對(duì)應(yīng)的支承應(yīng)力臨界值也呈現(xiàn)出正比例遞增趨勢(shì),且在剪切破斷角值較大時(shí)支承應(yīng)力臨界值遞增曲率較大;由圖2(b)可知,在任意側(cè)向圍壓值條件下,隨著剪切破斷角由0°逐步增大至70°的過程中,其相對(duì)應(yīng)的支承應(yīng)力臨界值也呈現(xiàn)出正比例遞增趨勢(shì),且在側(cè)向圍壓值較大時(shí)支承應(yīng)力臨界值遞增曲率較大。綜上分析可以看出,適當(dāng)增加支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體的剪切破斷角值和側(cè)向圍壓值能夠有效增大支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體失穩(wěn)破壞時(shí)所需的支承應(yīng)力臨界值,進(jìn)而更好地維護(hù)沿空側(cè)巷道超前段圍巖的穩(wěn)定性。

4 沿空側(cè)巷道超前段支護(hù)方案

由上述第3小節(jié)中分析可知,通過對(duì)沿空側(cè)的回風(fēng)平巷超前段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)能夠有效地提升支承應(yīng)力疊加受力區(qū)內(nèi)煤巖體的側(cè)向圍壓值,同時(shí)通過注漿加固技術(shù)改善煤巖體自身的剪切破斷角,進(jìn)而致使煤巖體失穩(wěn)破壞時(shí)所需的支承應(yīng)力臨界值更大,即煤巖體更加不易發(fā)生失穩(wěn)破壞。針對(duì)112204工作面沿空側(cè)的回風(fēng)平巷,在原有支護(hù)方案的基礎(chǔ)上,通過在頂板煤體內(nèi)施打3根頂板錨索來強(qiáng)化頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,進(jìn)一步防止頂板煤巖層因離層變形而發(fā)生垮冒事故。同時(shí)對(duì)于實(shí)體煤幫,同樣施打3根幫部錨索來強(qiáng)化實(shí)體煤幫圍巖的整體性,并使其對(duì)于支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體的側(cè)向圍壓值進(jìn)一步增加,從而提升支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體的支承應(yīng)力臨界值。關(guān)于優(yōu)化后的沿空側(cè)巷道超前段支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 沿空側(cè)巷道超前段支護(hù)方案

如圖3所示在優(yōu)化后的沿空側(cè)巷道超前段支護(hù)方案基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)沿空側(cè)巷道超前段圍巖較為破碎的區(qū)域?qū)嵤┓謱哟务詈献{方案[8],分別通過在圍巖淺部采用較小的壓力值(0.1～0.3 MPa)注入水泥漿液,待其初步凝固后,再在圍巖深部采用較大的壓力值(0.8～1.0 MPa)注入水泥漿液,從而將圍巖內(nèi)較為破碎的煤巖體膠結(jié)、黏聚到一起,使得煤巖體的剪切破斷角值增大,從而增大支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體的支承應(yīng)力臨界值。沿空側(cè)巷道超前段破碎區(qū)分層次耦合注漿方案如圖4所示。

圖4 沿空側(cè)巷道超前段破碎區(qū)分層次耦合注漿方案

5 電磁輻射監(jiān)測結(jié)果

礦方采用如第4小節(jié)所示支護(hù)方案對(duì)112204工作面沿空側(cè)的回風(fēng)平巷超前段圍巖進(jìn)行優(yōu)化支護(hù),同時(shí)對(duì)圍巖中較為破碎的區(qū)域采用分層次耦合注漿措施進(jìn)行注漿加固后,考慮到煤巖體失穩(wěn)破壞期間所釋放的電磁輻射值與其破壞程度呈正比例相關(guān)[9],因此對(duì)實(shí)體煤幫實(shí)施優(yōu)化支護(hù)和注漿措施前后進(jìn)行電磁輻射監(jiān)測對(duì)比,結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)體煤幫電磁輻射監(jiān)測對(duì)比結(jié)果

由圖5可知,在對(duì)112204工作面沿空側(cè)的回風(fēng)平巷采用優(yōu)化支護(hù)和注漿措施前,實(shí)體煤幫內(nèi)電磁輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)在33～79 mV范圍內(nèi)波動(dòng),均值為48 mV;采用優(yōu)化支護(hù)和注漿措施后,實(shí)體煤幫內(nèi)電磁輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)在6～25 mV范圍內(nèi)波動(dòng),均值為17 mV.對(duì)比實(shí)施優(yōu)化支護(hù)和注漿措施前后,實(shí)體煤幫內(nèi)電磁輻射均值降幅高達(dá)64.6%,表明實(shí)施優(yōu)化支護(hù)和注漿措施后,煤巖體失穩(wěn)破壞情況得以大幅度改善,圍巖處于較好的控制狀態(tài),能夠很好地服務(wù)于112204工作面回采作業(yè)。

6 結(jié) 語

1) 隨著112204工作面的回采推進(jìn),受到112204工作面超前支承應(yīng)力與鄰近112203采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力疊加影響,沿空側(cè)的112204回風(fēng)平巷超前段內(nèi)圍巖應(yīng)力環(huán)境較差,容易發(fā)生較大的變形而失穩(wěn)破壞。

2) 適當(dāng)增加側(cè)向圍壓值和改善煤巖體自身的剪切破斷角,均能在一定程度上增大支承應(yīng)力疊加區(qū)內(nèi)煤巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)所需要的支承應(yīng)力值。

3) 對(duì)比實(shí)施優(yōu)化支護(hù)和注漿措施前后,實(shí)體煤幫內(nèi)電磁輻射均值降幅高達(dá)64.6%,表明煤巖體在實(shí)施優(yōu)化支護(hù)和注漿措施后,煤巖體失穩(wěn)破壞情況得以大幅度改善,圍巖處于較好的控制狀態(tài),能夠很好地服務(wù)于112204工作面回采作業(yè)。