煤礦動壓巷道圍巖穩(wěn)定性協(xié)同卸壓控制技術(shù)研究

何鵬飛

（山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦，山西呂梁 033100）

隨著礦井采掘強度的不斷提高，巷道礦壓顯現(xiàn)愈發(fā)復(fù)雜，常規(guī)支護手段不足以滿足復(fù)雜多變的巷道圍巖控制需求。動壓巷道是煤礦開采中由于開采擾動劇烈作用的一類巷道，其主要的特點是巷道圍巖變形較大，返修次數(shù)多，存在較大安全隱患，嚴重制約煤礦安全高效開采。而強動壓巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境比一般巷道更為復(fù)雜，巷道圍巖塑性區(qū)演化范圍更廣，圍巖表面結(jié)構(gòu)破壞嚴重，常伴隨巷道頂板大范圍下沉甚至冒落、嚴重底鼓以及煤壁大范圍片幫等現(xiàn)象。對于強動壓巷道而言，采用常規(guī)支護手段來實現(xiàn)巷道圍巖控制收效甚微，不僅很難滿足礦井安全生產(chǎn)需求，而且會增加大量維修成本。因此，常規(guī)“抗壓”支護理念并不適應(yīng)于強動壓巷道支護，須從巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境入手，向“卸壓”轉(zhuǎn)變，優(yōu)化復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境[1-2]。鉆孔卸壓技術(shù)是一種改變巷道圍巖高應(yīng)力環(huán)境的技術(shù)手段，通過在巷道兩幫或頂?shù)装迳喜贾枚鄠€鉆孔，由鉆孔破壞巷道表面圍巖結(jié)構(gòu)形成局部塑性區(qū)，多個鉆孔形成的塑性區(qū)相互貫通連接形成卸壓帶，將巷道圍巖淺部應(yīng)力集中區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)應(yīng)力的重新分布，達到卸壓的目的[3]。但在實際工程應(yīng)用中，鉆孔的大小直接影響卸壓的效果，大直徑鉆孔會加劇巷道淺部圍巖的破壞，加速巷道變形；小直徑鉆孔不足以改變巷道高應(yīng)力環(huán)境。本文以山西焦煤霍州煤電木瓜礦強動壓巷道為工程背景，分析動壓巷道圍巖變形破壞特征及規(guī)律，基于鉆孔卸壓原理，分析變孔徑卸壓原理，研究變孔徑鉆孔對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出變孔徑鉆孔卸壓技術(shù)，為類似強動壓巷道支護提供參考。

1 動壓巷道圍巖變形破壞特征

1.1 工程地質(zhì)概況

霍州煤電木瓜礦位于山西省呂梁方山縣大武鎮(zhèn)木瓜村，井田面積10.63km2，礦井核定生產(chǎn)能力1.5Mt/a，現(xiàn)在主要開采10#煤層，厚度為3.65~3.85m，平均約3.8m，煤層傾角為3°~10°，平均約6°。10-206綜采工作面走向長度約為469m，傾向長度約為87m。煤層直接頂主要以泥巖、砂泥巖為主，巖層厚度為0~7.5m，平均約6.5m；老頂以K8中細砂巖為主，巖層厚度為6.0~8.0m，平均約7.2m；直接底以泥巖為主，巖層厚度為4.0~6.5m，平均約4.5m。10-206 綜采工作面西北部為10-203 工作面采空區(qū)，東北部緊鄰二采區(qū)正前系統(tǒng)巷道。目前10-206 綜采工作面正在回采過程中，由于上工作面采空區(qū)的影響，加之本工作面回采影響，工作面礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，巷道圍巖變形較大。

1.2 巷道圍巖變形破壞特征

通過現(xiàn)場巷道圍巖變形監(jiān)測，巷道在掘進期間，巷道兩幫移近量明顯高于頂?shù)装?，兩幫及頂?shù)装逡平糠謩e為210mm 和143mm，煤柱幫圍巖變形最為嚴重，局部肩窩處出現(xiàn)明顯的擠壓變形，導(dǎo)致部分頂板下沉，錨桿繃斷失效。在工作面回采期間，巷道受采動影響嚴重，超前工作面100m 范圍內(nèi)圍巖變形劇烈，兩幫最大移近量增加至562mm，頂?shù)装遄畲笠平窟_352mm，出現(xiàn)大范圍的幫部鼓肚和片幫現(xiàn)象。此外，在巷道底板局部位置底鼓嚴重，出現(xiàn)鼓起開裂、皮帶架歪斜傾倒現(xiàn)象。

2 鉆孔卸壓原理

2.1 鉆孔卸壓原理

巷道開挖后圍巖應(yīng)力重新分布，巷道圍巖結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下發(fā)生改變，由巷道淺部圍巖向深部依次為破碎區(qū)、塑性區(qū)以及彈性區(qū)，塑性區(qū)與彈性區(qū)交界區(qū)處圍巖處于承載極限。鉆孔卸壓是通過在巷道兩幫或頂?shù)装宀贾枚鄠€鉆孔，鉆孔破壞巷道表面圍巖結(jié)構(gòu)形成局部塑性區(qū)，多個鉆孔形成的塑性區(qū)相互貫通連接形成一個大的卸壓帶，將塑性區(qū)范圍向深部延伸，原圍巖承載極限區(qū)域順勢后移，達到卸壓目的。

2.2 變孔徑卸壓原理

基于鉆孔卸壓原理，采用小直徑鉆頭對巷道淺部圍巖（破碎區(qū)）進行鉆孔布置，避免新形成的鉆孔圍巖塑性區(qū)相互貫通，不破壞巷道淺部圍巖的原有的整體承載結(jié)構(gòu)?？锥囱由熘羾鷰r應(yīng)力峰值附近，采用大直徑鉆頭對巷道圍巖應(yīng)力峰值處進行大直徑轉(zhuǎn)孔，多個大孔徑鉆孔塑性區(qū)相互貫通形成一個大的卸壓帶，將圍巖應(yīng)力峰值向巷道深部轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)變孔徑卸壓，如圖1所示。

圖1 變孔徑鉆孔卸壓原理圖

3 變孔徑鉆孔對巷道圍巖穩(wěn)定性影響

3.1 數(shù)值計算模型建立

根據(jù)巷道地質(zhì)工程概況，采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值計算模型，如圖2 所示。模型長×寬×高=80m×30m×60m，根據(jù)煤礦地質(zhì)報告設(shè)置巷道側(cè)壓系數(shù)λ=0.8。在巷道兩幫各布置間距為1m 的4 個變孔徑鉆孔，淺部鉆孔深度為4m，深部鉆孔直徑統(tǒng)一設(shè)置為250mm，鉆孔深度為12m，改變巷道淺部鉆孔直徑，計算淺部鉆孔直徑對巷道圍巖穩(wěn)定的影響。模擬方案如表1所示。

表1 變孔徑鉆孔數(shù)值模擬方案

圖2 變孔徑鉆孔數(shù)值計算模型

3.2 淺部鉆孔直徑對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響

圖3 所示為不同淺部鉆孔直徑下巷幫圍巖垂直應(yīng)力分布云圖。由圖可知，巷道未鉆孔卸壓時巷道兩幫最大應(yīng)力集中區(qū)距巷道幫部約6.4m，隨著巷道進行變孔徑鉆孔卸壓，巷道兩幫最大應(yīng)力集中區(qū)逐漸向巷道深度轉(zhuǎn)移。當(dāng)淺部鉆孔直徑為250mm時，巷道兩幫最大應(yīng)力集中區(qū)距離巷道兩幫約17m。由此可知，采用變孔徑鉆孔卸壓可有效向深部轉(zhuǎn)移巷道兩幫應(yīng)力[4]。

圖3 不同淺部鉆孔直徑下巷幫圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

圖4 所示為不同淺部鉆孔直徑下巷幫圍巖垂直應(yīng)力分布曲線。由圖可知，未進行鉆孔卸壓時，巷道圍巖破碎區(qū)距巷道幫部約為3m，巷道圍巖垂直應(yīng)力約為15.2MPa。隨著淺部鉆孔直徑的增大，巷道圍巖破碎區(qū)范圍逐漸增大，淺部圍巖整體承載結(jié)構(gòu)遭到破壞，原巷道垂直應(yīng)力峰值位置圍巖強度急劇減小，當(dāng)淺部鉆孔直徑為250mm 時，巷道圍巖破碎區(qū)距離巷道幫部約14.5m 此時，原巷道垂直應(yīng)力峰值位置圍巖強度由15.2MPa 衰減至7.6MPa，巷道兩幫最大垂直應(yīng)力由15.2MPa增大至17.6MPa。

圖4 不同淺部鉆孔直徑下巷幫圍巖垂直應(yīng)力曲線

4 工業(yè)性試驗

4.1 變孔徑鉆孔卸壓技術(shù)

基于變孔徑鉆孔對巷道圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律，結(jié)合試驗巷道巷道地質(zhì)工況，對試驗巷道變孔徑鉆孔卸壓進行方案設(shè)計，變孔徑鉆孔布置如圖5所示。

圖5 變孔徑鉆孔布置圖

（1）淺部鉆孔直徑。通過上文中對淺部鉆孔直徑的模擬結(jié)果顯示，隨著淺部鉆孔直徑增大，巷道圍巖塑性區(qū)逐漸增大，巷幫垂直應(yīng)力峰值逐漸向深部轉(zhuǎn)移。但增大淺部鉆孔直徑的同時，巷道淺部圍巖破碎區(qū)也隨之增大，造成圍巖承載結(jié)構(gòu)的破壞，錨桿有效約束力減小。因此，結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用工況，選擇試驗巷道淺部鉆孔直徑為100mm。

（2）深部鉆孔直徑。進行深部鉆孔時需采用可變直徑轉(zhuǎn)孔卸壓裝置，該裝置需通過增大水壓方式使擴孔刀片張開，故結(jié)合現(xiàn)場使用條件及模擬結(jié)果，確定試驗巷道深部鉆孔直徑為250m。

（3）變孔徑位置及鉆孔間距。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，變孔徑位置應(yīng)處在巷道圍巖錨桿支護區(qū)后，圍巖應(yīng)力集中峰值前時卸壓效果最佳。結(jié)合巷道錨桿、錨索支護參數(shù)及模擬結(jié)果，設(shè)置變孔徑位置為4m。同時，鉆孔間距太小施工較慢，巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)易遭到破壞；鉆孔間距太大，深部鉆孔不易形成新的塑性區(qū)。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，鉆孔間距設(shè)置為2.0m。

（4）變孔徑鉆孔施工方法。變孔徑鉆孔施工時使用可變直徑鉆孔卸壓裝置，如圖6所示。在對巷道淺部圍巖進行鉆孔時給予較小的水壓，水流通過中空柱塞的圓形空洞流出，流出的水流帶著鉆孔產(chǎn)生的粉塵一同流出鉆孔。直至淺部鉆孔延伸至4m處，改用打水壓進行鉆進，此時水壓推動中空柱塞向前移動，在中空柱塞的推力作用下擴孔刀片彈起進行大直徑鉆孔。待鉆孔深度達到16m 后關(guān)閉水壓，擴孔刀片在彈簧拉力的作用下收回，取出可變直徑鉆孔卸壓裝置[5]。

圖6 變孔徑鉆孔施工方法圖

4.2 巷道圍巖變形監(jiān)測

圖7 所示為巷道卸壓前后圍巖變形曲線，由圖可知，巷道未采用鉆孔卸壓前，巷道頂?shù)装逡平考s為362.3mm，兩幫移近量約為580.2mm，圍巖變形量較大，嚴重影響巷道正常安全使用。采用變孔徑鉆孔卸壓后，巷道圍巖變形量明顯減小，其中頂?shù)装逡平繙p小至248.8mm，減小了31.5%；兩幫移近量減小至308.7mm，減小了46.7%。變孔徑鉆孔技術(shù)的應(yīng)用有效控制巷道圍巖變形，保證了巷道安全使用。

5 結(jié)論

（1）變孔徑鉆孔卸壓技術(shù)改變巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，通過鉆孔破壞巷道表面圍巖結(jié)構(gòu)形成局部塑性區(qū)，多個鉆孔形成的塑性區(qū)相互貫通連接形成卸壓帶，將巷道圍巖淺部應(yīng)力集中區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)應(yīng)力的重新分布，達到卸壓的目的。

（2）試驗巷道應(yīng)用變孔徑鉆孔卸壓技術(shù)后，巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r變形量分別縮減31.5%和46.7%，巷道圍巖變形量得到有效控制，確保了巷道的安全穩(wěn)定。