孤島工作面窄煤柱臨空巷道動壓影響下圍巖控制技術(shù)研究

引言
　　受相鄰工作面回采所產(chǎn)生動壓的影響，孤島工作面的煤體易發(fā)生破碎，加劇了巷道的支護難度，同時受本工作面自身回采的影響，巷道將受到本工作面超前支承壓力以及相鄰工作面?zhèn)认蛑С袎毫ΟB加雙重影響，巷道支護更加困難，極容易導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生較大變形，對工作面回采安全性形成威脅[1]。本文針對青洼煤業(yè)2102工作面臨空巷道受較大壓力產(chǎn)生大變形的問題，提出通過水力壓裂技術(shù)對頂板進行卸壓，削弱或消除2102工作面進風順槽所受的附加應(yīng)力。
　　1 工程概況
　　青洼煤業(yè)位于山西省臨汾市翼城縣西閆鎮(zhèn)十河村，其中2102工作面標高957～1019m，地面標高為1194.7～1235.4m，覆蓋層厚度約216.4～237.7m，2102工作面西南側(cè)為已開采的2101工作面，西北側(cè)為開采完成的2103第一工作面，東北側(cè)為將要開采的2103第二工作面，工作面2102為工作面2103生產(chǎn)接續(xù)做準備，工作面位置圖如圖1所示。
　　新掘進風順槽受2103工作面的回采影響，使巷道圍巖應(yīng)力急劇增高，引起圍巖應(yīng)力再一次重新分布，巷道圍巖周邊應(yīng)力集中程度更高。新掘進風順槽受二次動壓影響，應(yīng)力的反復(fù)擾動使圍巖變形比僅受一次采動影響時更加強烈。
　　2 動壓巷道圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)分析
　　2102工作面進風順槽掘進以后，改變了巷道圍巖的原始應(yīng)力狀態(tài)，引起圍巖應(yīng)力的重新分布，在巷道圍巖內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中。在2103工作面回采時，隨著工作面頂板的垮落和上覆巖層的移動，采空區(qū)上部巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支撐點轉(zhuǎn)移，破壞了新掘進風順槽周圍應(yīng)力場的平衡，引起其圍巖的應(yīng)力狀態(tài)重新分布，隨著工作面繼續(xù)向前推進，采空區(qū)頂板懸露面積不斷增大，由于礦山壓力的影響，會引起頂板各巖層彎曲下沉變形，直到巖層受到的載荷超過其自身的強度極限時引起垮落，可將采空區(qū)側(cè)向頂板巖層的垮落近似為平面問題，即形成采空區(qū)側(cè)向懸臂結(jié)構(gòu)，采空區(qū)側(cè)向懸臂結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。 　　為減弱2102工作面進風順槽受2103工作面回采時的應(yīng)力擾動，進一步控制巷道的圍巖變形，對2103工作面運輸順槽進行切頂卸壓，巷道卸壓可切斷關(guān)鍵巖梁，減弱側(cè)向應(yīng)力的傳遞，降低回采工作面覆巖向相鄰工作面的荷載轉(zhuǎn)移比例。
　　2.1 切頂卸壓技術(shù)理論
　　切頂卸壓措施可改善頂板的冒落性[2]，降低回采工作面覆巖向相鄰工作面的荷載轉(zhuǎn)移比例，從而達到減輕巷道變形、破壞的目的。目前常用的切頂措施有預(yù)裂爆破和水力壓裂技術(shù)[3-7]。
　　預(yù)裂爆破切頂卸壓是通過爆破方法實現(xiàn)在回采巷道沿采空區(qū)處頂板處切一條縫，回采完成后，在礦山壓力的作用下回采巷道頂板會在切縫處斷開，形成一個面，回采巷道與采空區(qū)的動力傳動就會消失，孤島工作面頂板不會受采空區(qū)動壓影響[8]。水力壓裂是指裂紋由于其內(nèi)部液體壓力的作用而開裂并擴展的過程，水力壓裂作業(yè)包含兩種應(yīng)用目的：一種應(yīng)用是控制煤礦堅硬頂板的冒落;另一種是釋放礦山壓力，防治沖擊地壓[9]。
　　根據(jù)青洼煤業(yè)生產(chǎn)地質(zhì)條件，選用水力壓裂的方法對頂板進行卸壓。如何控制水力切縫的位置以及切頂厚度是切頂卸壓技術(shù)的關(guān)鍵。采用水力壓裂方法進行切頂卸壓時，應(yīng)該控制好切頂高度、切頂角度。
　　3 切頂留巷圍巖應(yīng)力數(shù)值模擬分析
　　為了合理地進行采空區(qū)側(cè)切頂卸壓工程的設(shè)計和施工，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對采空區(qū)側(cè)切頂卸壓，通過模擬不同切頂高度的卸壓效應(yīng)以及切頂過程中圍巖的應(yīng)力和塑性區(qū)變形，得出合理的切頂高度，分析巷道移近量的變化及塑性區(qū)的演變，得出合理的支護參數(shù)。根據(jù)青洼煤業(yè)生產(chǎn)地質(zhì)條件與巷道布置位置關(guān)系，建立如圖3所示的數(shù)值計算立體模型，模型尺寸（長×寬×高）確定為：588m×588m×45m，模型上部邊界垂直應(yīng)力按深度220m、容重25kN/m3考慮，為5.5MPa。
　　3.1 有無切頂卸壓模擬結(jié)果
　　針對未進行切頂和切頂情況下，動壓巷道圍巖垂直應(yīng)力演化規(guī)律進行分析，分析兩種情況下工作面前方5m處煤柱及巷道的垂直應(yīng)力，通過在巷道頂板和煤柱上方設(shè)置測線，繪制圍巖應(yīng)力變化曲線。
　　如圖4所示，未進行切頂時，煤柱上方的應(yīng)力呈現(xiàn)上升趨勢，由6MPa上升至12MPa，應(yīng)力集中系數(shù)由1增加到2.1，由于受到工作面回采，靠近采空區(qū)一側(cè)的應(yīng)力大于靠近新巷側(cè)應(yīng)力;對2103工作面煤柱側(cè)進行切頂，在煤柱側(cè)頂板內(nèi)部形成了一定的卸壓區(qū)，應(yīng)力進行小范圍的轉(zhuǎn)移，煤柱上方應(yīng)力基本處于一條直線上，應(yīng)力大小為7MPa，集中系數(shù)為1.2，表明切頂產(chǎn)生了明顯的作用效果，使新巷側(cè)煤柱應(yīng)力得到降低，煤柱側(cè)承載能力得到提高，優(yōu)化了新掘巷道附近區(qū)域的圍巖應(yīng)力環(huán)境。
　　3.2 不同切頂高度的卸壓效應(yīng)
　　根據(jù)青洼煤業(yè)現(xiàn)場地質(zhì)條件和已有設(shè)備，現(xiàn)以50°為切頂角度研究不同切頂高度的卸壓效應(yīng)，在數(shù)值模擬過程中共設(shè)計了5種不同的模擬方案，即7m切頂、9m切頂、11m切頂、13m切頂、15m切頂。分別建立5個不同切頂計算模型，通過對比不同切頂高度下沿空巷道的圍巖應(yīng)力分布的特征，從而得出在2103工作面工程地質(zhì)條件下的合理水力壓裂切頂高度。
　?。?）切頂7m方案
　　根據(jù)圖5中巷道圍巖變形云圖，在工作面開挖后超前5m處，切縫巷道實體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫較近，約2.0m，垂直應(yīng)力最大值13MPa，巷道上方一定范圍內(nèi)存在較明顯的卸壓區(qū)，垂直應(yīng)力平均值約8MPa。
　?。?）切頂9m方案
　　根據(jù)圖6中巷道圍巖變形云圖，在工作面開挖后超前5m處，切縫巷道實體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫較近，約3.0m，垂直應(yīng)力最大值12MPa，巷道上方一定范圍內(nèi)存在較明顯的卸壓區(qū)，垂直應(yīng)力平均值約8MPa。
　?。?）切頂11m方案
　　根據(jù)圖7中巷道圍巖變形云圖，在工作面開挖后超前5m處，切縫巷道實體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫較近，約2.0m，垂直應(yīng)力最大值13MPa，巷道上方一定范圍內(nèi)存在較明顯的卸壓區(qū)，垂直應(yīng)力平均值約6MPa。
　　（4）切頂13m方案
　　根據(jù)圖8中巷道圍巖變形云圖，在工作面開挖后超前5m處，13m切縫巷道實體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫較近，約3.0m，垂直應(yīng)力最大值12MPa，巷道上方一定范圍內(nèi)存在較明顯的卸壓區(qū)，垂直應(yīng)力平均值約9MPa。
　?。?）切頂15m方案
　　根據(jù)圖9中巷道圍巖變形云圖，在工作面開挖后超前5m處，15m切縫巷道實體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫較近，約5.0m，垂直應(yīng)力最大值14MPa，巷道上方一定范圍內(nèi)存在較明顯的卸壓區(qū)，垂直應(yīng)力平均值約8MPa。
　　由圖10可知，在切頂角度一樣的情況下，切頂高度不同使切頂位置發(fā)生變化，切頂越高切頂位置離老巷越遠，切頂高度由7m增加到13m時，切頂位置位于煤柱靠近老巷一側(cè)，切頂之后，卸壓應(yīng)力減小，使新巷側(cè)煤柱應(yīng)力降低，減小新巷的破壞，保障工人施工安全，但當高度增加到15m時，切頂位置較靠近新巷側(cè)，新巷側(cè)的切頂效果反而降低。
　　綜上所述，切頂可改善新巷圍巖應(yīng)力環(huán)境，7m、9m、11m、13m、15m五種不同切頂高度均可切斷采空區(qū)頂板與留巷頂板間的應(yīng)力傳遞，有明顯的卸壓效果，隨著切頂高度的增加，頂板垮落更加充分，煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中程度得到緩解，當切頂高度達到一定高度后，改善作用呈現(xiàn)下降趨勢。根據(jù)2103工作面覆巖性質(zhì)、理論計算的結(jié)果及數(shù)值模擬，最優(yōu)的切頂高度應(yīng)選擇13m。
　　4 新掘巷道支護方案數(shù)值模擬
　　由于新掘進風順槽從掘進以后到報廢之前，將經(jīng)歷上工作面2103和本區(qū)段2102工作面兩次采動影響，巷道圍巖在受到應(yīng)力重新分布影響的過程中將會產(chǎn)生持續(xù)的變形，因此巷道的支護尤為重要。根據(jù)上述理論計算與數(shù)值模擬確定的13m切頂高度和初步預(yù)計50°的切頂角度，提出新支護方案，對新掘巷道的支護參數(shù)進行模擬，驗證方案的合理性。 　　支護方案：
　　頂板錨桿錨索聯(lián)合支護，每排2根錨索，間距2400mm，排距2400mm，搭配鋼筋托梁與經(jīng)緯網(wǎng)，端頭錨固;每排6根錨桿，間距800mm，排距800mm，加長錨固。兩幫采用錨桿支護，每排錨桿數(shù)量3根，間距800mm，排距800mm，搭配經(jīng)緯網(wǎng)，加長錨固，見圖11。
　　2102回采工作面切頂卸壓后，對巷道圍巖進行支護并且觀測該方案在工作面超前5m產(chǎn)生的效果，即頂板圍巖垂直位移量、底鼓量、煤柱幫和工作面幫水平位移量，變形量見表1。
　　通過觀察2102工作面新掘巷道在回采期間巷道變形數(shù)據(jù)，可知該支護方案對巷道圍巖起到一定的作用，但在2102工作面回采的超前段應(yīng)注意合理超前支護以及補強支護。
　　5 工程實踐
　　5.1 施工要求
　　巷道鉆孔施工及壓裂施工由內(nèi)向外依次進行作業(yè)，先打鉆，壓裂施工滯后進行，鉆孔施工完畢后，用靜壓水清洗鉆孔，然后利用窺視儀對鉆孔進行窺視，確定預(yù)裂縫的位置。
　　壓裂鉆孔位置開在老巷頂板，距煤柱側(cè)巷幫1m。距巷道頂板13m，孔徑56mm，沿老巷頂板處施工，孔間距5m，孔深17m，與巷道軸向垂直，與巷道水平夾角50°，同時留出封孔器的長度，壓裂采用倒退式壓裂，每隔5m壓1次。壓裂時間暫定30min，根據(jù)水壓變化和巖層出水情況調(diào)整，鉆孔布置圖如圖12所示。
　　5.2 切頂卸壓監(jiān)測效果分析
　　為了更加準確地分析2102工作面回采期間水力切頂卸壓對新掘巷道壓力顯現(xiàn)的效果，工作面水壓壓裂工程施工完畢后，需采取有效的檢驗方法對壓裂效果進行檢驗[11]。巷道的變形量是巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境的直觀體現(xiàn)[12]，通過在2102工作面進風順槽30m、60m、90m布設(shè)表面位移觀測點，連續(xù)50多天對巷道變形量進行觀測，觀測結(jié)果如圖13。
　　由圖13可知，2102工作面進風順槽在多重動壓影響下，巷道的不同位置均出現(xiàn)了一定程度的收縮變形，巷道在前35d內(nèi)變形量較大，在35d過后就逐漸趨于穩(wěn)定，且兩幫的變形量控制在130～170mm，頂?shù)装逡平靠刂圃?40～300mm，巷道的變形得到有效控制。表明水力壓裂切頂卸壓可切斷采空區(qū)頂板與留巷頂板間的應(yīng)力傳遞，削弱采空區(qū)側(cè)上覆巖層對2102工作面進風順槽產(chǎn)生的附加應(yīng)力，起到了良好的卸壓護巷效果。