全煤巷钻孔卸压技术的应用

星宁江

(潞安集团王庄煤矿,山西省长治市,046031)

全煤巷钻孔卸压技术的应用

星宁江

(潞安集团王庄煤矿,山西省长治市,046031)

为解决回采工作面回风巷因大断面、高应力动压影响,出现变形大难于支护、断面面积无法满足回采期间通风及运输要求等问题,王庄煤矿在5218回风巷中通过采用钻孔卸压技术,很好地控制了围岩变形。

煤巷掘进 动压巷道 围岩控制 钻孔卸压

随着开采深度的加大,地压越来越大,围岩地质条件也更为复杂。王庄煤矿曾在3#煤层巷道中普遍采用普通锚梁网索等方式进行巷道支护,但巷道损坏严重,锚索拉断、锚索托盘拉抽、锚杆垫板和丝扣压坏、钢带压入围岩或断裂等现象经常出现,巷道变形量依然较大,控制效果不明显。而且在工作面回采期间,受超前采动支承压力作用,采空区上方顶板将发生旋转、下沉和破断,沿空巷道围岩会发生剧烈变形,而且不同部位变形差异显著,尤其是小煤柱变形、破坏最严重。

为了实现高效集约化生产,王庄煤矿在5212综放工作面回采结束后、采空区顶板运动稳定之前,急需准备5218综放工作面,即沿5212综放工作面采空区5 m、25 m分别掘进5218回风巷和5218瓦斯巷,回风巷及瓦斯巷掘进引起的应力重新分布与5212综放工作面采动应力叠加,造成5218回风巷围岩应力分布极其复杂,在叠加应力的作用下,锚杆、锚索被拉断现象发生频繁,巷道围岩变形厉害、极难维护。单纯的用加强支护的方法克服高应力巷道矿压,致使成本过高而无法采用,而主动卸压技术无疑是一种较好的选择,使巷道顶板中应力向煤帮纵深处转移,相对降低巷道两侧煤帮中的应力,达到控制两帮移近及顶底板移近的目的,最大限度地减少扩帮和卧底量。通过理论分析、物理实验、物理模拟以及数值模拟等方法,确定在5218回风巷的实体煤侧煤帮打设一排一定尺寸的卸压孔,降低巷道围岩周围应力,提高围岩强度和抵抗变形的能力。

1 钻孔卸压技术的实施

1.1 施工巷道概况

5218工作面位于52盘区,南邻5212采空区,北为井田边界,东临52专用回风巷、52辅助运输轨道巷和52带式输送机巷,西为井田边界,地面位于西回辕村庄东南。5218回风巷设计长度为1048 m,前进右侧与5218瓦斯巷留煤柱15 m,前进左侧与5212已采工作面运输巷留净煤柱仅5 m,工作面平面布置见图1。所掘煤层为沁水煤田3#煤层,赋存于二叠系山西组中下部地层中,为陆相湖泊型沉积,煤层厚度稳定,平均厚度7.44 m左右。工作面为一向西倾斜的单斜构造,煤层倾角为2～6°之间,全煤含夹矸5层,总厚度0.56 m;直接顶为泥岩,平均厚度7.47 m;老顶为细砂岩,平均厚度5.2 m;直接底为4.23 m厚的泥岩;老底为6.66 m的中砂岩。

图1 5218工作面平面布置图

1.2 巷道变形的主要原因

(1)由于煤层与顶底板的岩性差别,巷道掘进引起围岩应力变化并通过刚性较大的顶底板岩层扩展到煤层区域,使煤层受到较均匀的垂直附加应力作用并产生大范围的塑性区。

(2)受高应力动压、静压影响。5218回风巷一帮为已进入塑性状态的窄煤柱,另一帮为实体煤。巷道埋深约320 m,煤层单轴抗压强度实验值在30～40 MPa之间,抗拉强度在4.5 MPa左右,与原岩应力属于同一水平,煤体强度小;巷道沿采空区边缘掘进,其破碎区、塑性区较大,巷道周围煤体强度更小;5212综放工作面采空区顶板岩层活动尚未稳定,5218回风巷、瓦斯巷的掘进引起应力与采动支撑应力相互叠加,巷道动压显现剧烈;此外5218本工作面回采产生的动压会更严重地影响巷道围岩的稳定,巷道维护难度加大。

(3)巷道顶板节理较发育。5218回风巷沿底板掘进,顶部尚有4.2 m左右的煤层,并含2层夹矸。直接顶为易破碎、冒落的泥岩,节理发育,含植物化石,厚度7.47 m,可随采随冒,形成复合顶板,不稳定煤、岩复合顶板厚度达11.7 m,维护条件差。

(4)水平应力较大,因巷道开挖,使煤层抗水平应力的截面减少了一半,使巷道周围煤体抗水平应力的能力下降,于是煤层沿水平层理面向巷道挤入,造成冒顶、片帮、帮锚杆被拉断等现象,巷道两帮变形严重。

(5)5218回风巷沿5212工作面采空区掘进,沿倾向处于5212工作面采动和沿走向处于本工作面回采引起的叠加支承压力作用产生的高应力区内,一般支护方式必将造成围岩的大变形、大范围破坏,破坏范围长达3～4 m以上,塑性区宽度超过5～10 m。

1.3 钻孔参数确定及施工

根据王庄矿地质条件,为系统地研究5218工作面回风巷在钻孔卸压方案下围岩的受力变形情况,采用三维非线性岩石力学数值计算方法,重点模拟钻孔卸压对巷道围岩变形的影响,优化钻孔卸压技术参数。鉴于现场技术和装备条件,将5218工作面回风巷卸压孔孔径定为80mm,间距为800mm,孔深6000mm。

钻孔布置在5218回风巷的实煤体一侧,距巷道顶板1.5 m的两排帮锚杆中间。钻孔施工滞后掘进工作面20 m进行,采用地质钻施工。钻孔的同时注水软化孔间煤柱,提高卸压效果。工作面钻孔布置正视、侧视图见图2和图3。

图2 钻孔布置正视图

图3 钻孔布置侧视图

2 试验巷道变形量实测与分析

2.1 测站布置及观测结果

安设表面位移测站,监测巷道断面位移情况。在顶板中部垂直方向和两帮水平方向钻直径30mm、深500mm的孔,将直径20mm、长500mm的高强螺纹钢用树脂药卷锚固在孔内,螺纹钢一头焊制弯钩用于测量,巷道表面位移测点布置见图4。

图4 巷道表面位移测点布置

(1)在C、D之间,A、B之间使用收敛计测量巷道顶底板和两帮的位移量。

图5 卸压段与未卸压段顶底板移近量对比

(2)测量精度要求达到1mm;记录监测断面至掘进工作面的距离。

距掘进面50 m之内,每天观测2次,其它时间每天1次。观测结果见图5和图6。

2.2 结果分析

(1)综放沿空巷道在回采影响期间,巷道围岩变形以两帮变形为主,两帮变形快且变形量大。一般是顶底板相对移近量的3～3.5倍。

图6 卸压段与未卸压段两帮移近量对比图

(2)采用卸压技术段的巷道,前10天顶底板移近量几乎为零,25天稳定后为280mm。而未采用卸压段,第7天顶煤下沉量达到300mm,第11天达到700mm,是采用卸压技术段总下沉量的2倍多;

(3)采用卸压技术段的巷道,两帮移近量第10天为220mm,25天后为930mm。而未采用卸压技术段,第1天的两帮移近量达到750mm,第11天则达到2500mm,是采用卸压技术段总移近量的2.5倍多。

3 结语

钻孔卸压方案的实施使5218工作面回风巷围岩变形得到了有效控制,一次成巷保证了回采期间通风断面尺寸,降低了工人劳动强度,提高了劳动效率,减少或杜绝了巷道翻修,节约总体巷道工作量投入和采掘接替时间,保证了工作面快速安全的生产,为全煤巷及硐室围岩的支护与控制提供了新的、有效的支护技术和方法,为王庄矿带来了巨大的经济效益和社会效益。

(责任编辑 张毅玲)

Application of technique of pressure relief by drills in coal drift

Xing Ningjiang
(Wangzhuang Coal Mine of Luan Group Company,Changzhi,Shanxi 046031,China)

The return airway of coalmining face is often distorted seriously due to its big section and the high kinetic pressure against it and is difficult to be supported,and as a result,the area of the section turns out to be not sufficient of the ventilation and transportation formining face.Wangzhuang Coal Mine controls the surrounding rock deformation in#5218 working face return airway by applying the technique of pressure relief by drills.

coal drift excavation,kinetic pressure tunnel,surrounding rock controlling,pressure relief by drills

TD327

B

星宁江(1975-),男,山西省潞城人,1998年毕业于东北大学安全工程专业,工程师,现在潞安集团王庄煤矿生产中心从事煤矿生产技术管理工作。