腾晖煤业综放工作面临空巷道钻孔卸压技术研究

2023-09-14王鹏

煤 2023年9期

王鹏

(霍州煤电河津腾晖煤业,山西运城 043302)

临空巷道指工作面回采巷道布置在采空区一侧,受侧向支承压力的影响,巷道的矿压显现往往较为剧烈,围岩难以维护,单纯依靠提升支护强度无法有效地控制围岩变形破坏[1-2]。针对此问题,众多学者进行了大量的研究,发现通过在巷道内布置卸压钻孔可以有效释放临空巷道内的集中应力,大幅减弱煤体内存储的弹性势能,从而保证临空巷道的稳定性[3]。

本文以腾晖煤业2-202工作面2-2021临空巷为研究对象,采用数值模拟的方法对巷道卸压钻孔的长度及间距等参数进行分析,确定出合理的参数,保证矿井的安全高效生产。

1 工程概况

腾晖煤业2-202工作面主采2号煤层,2号煤层位于二叠系山西组下部,煤层赋存稳定,倾角平缓,结构简单,局部含0～2层夹矸,夹矸以泥岩、炭质泥岩为主,煤层层理中等发育,节理较为发育,煤质较硬,具深褐色条痕。煤层厚度为3.2～6.0 m,平均5.6 m,煤层倾角0～2°.煤层顶底板情况如表1所示。

表1 煤层顶底板结构

2-202工作面位于二采区巷道前进方向左翼,北部为F1断层,南部为已回采的2-201工作面,西部为井田边界,与大同煤矿集团电力能源大运煤电寺塔煤矿相邻,东部为二采区巷道。不存在上覆采空区。工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤开采,采空区处理采用顶板全部垮落法。

2-2021巷为2-202工作面的运输巷,设计断面为矩形,巷道宽5.4 m,高3.4 m,采用锚网梁、锚索联合支护。由于2-2021巷临近2-201工作面采空区,在采空区侧向支承压力及本工作面超前支承应力的双重影响下,使巷道超前区域处于高应力环境中,并在短时间内出现较大的变形失稳,加强支护也不能控制其变形。因此,考虑通过在巷道内布置卸压钻孔的方式来保证巷道的稳定性。

2 卸压钻孔参数模拟分析

2.1 巷道钻孔卸压机理

在巷道内布置一定数量的卸压钻孔,钻孔在高应力环境下被压碎并坍塌,释放能量的同时形成应力降低区,从而改变了巷道两帮的承载特性,降低了煤巷浅部应力集中的可能性,改善了浅部围岩的应力环境[4]。

钻孔施工后,钻孔周边煤体受单向压缩,当应力达到煤体极限抗压强度后,煤体破坏并在钻孔周围形成一定范围的塑性区。随着钻孔深度的增加,煤体由单向受力逐渐转变为三向受力状态,其抗压强度得到了提高,承载性较强,因此,施工卸压钻孔后,应力会向巷道围岩深部转移[5]。

2.2 建立模型

依据腾晖煤业2-202工作面及其2-2021巷为的实际赋存条件,采用FLAC3D数值模拟软件建立模型,模型尺寸为:长×宽×高=50 m×50 m×30 m.根据工作面埋深,在模型顶部施加9.2 MPa的垂直应力以模拟覆岩压力,侧压系数为1.1.通过边界条件约束模型四周的水平位移及底部的垂直位移,煤岩体的破坏均服从Mohr-Colomb屈服准则。计算时,煤岩体的物理力学参数按表2进行赋参。模拟分析不同卸压钻孔间距、排距等参数下的巷道围岩应力及变形特征,确定出合理的卸压钻孔参数。

表2 煤岩体物理力学参数

2.3 钻孔长度

模拟时,设置巷道卸压钻孔间距为1.2 m,分别对比无卸压钻孔及卸压钻孔长度为4 m、6 m、8 m、10 m及12 m下的巷道围岩应力及变形特征。

巷道未施工卸压钻孔时,垂直应力在巷道浅部围岩集中,应力峰值达到了20 MPa,不利于巷道的稳定;在巷道两帮施工卸压钻孔后,应力集中逐渐向围岩深部转移,浅部围岩均处于低应力环境下;随着卸压钻孔长度的增大,垂直应力峰值的位置越远离巷道,但钻孔长度达到10 m后,巷道浅部围岩应力的变化幅度逐渐减小,最大应力为5 MPa.

图1为不同卸压钻孔长度下的巷道围岩变形特征。

图1 不同卸压钻孔长度下的巷道围岩变形特征

由图1可知,随着钻孔长度的增加,巷道顶板下沉量及底鼓量呈先增后减再增的趋势,其中,钻孔长度为6 m时,顶板下沉量达到最大值510 mm,钻孔长度为10 m时,顶板下沉量最小值390 mm;钻孔长度为5 m时,底鼓量达到最大值360 mm,钻孔长度为10 m时,底鼓量最小值240 mm;而巷帮变形量则随着钻孔长度的增加,呈先减小后增大的趋势,并在钻孔长度为8 m时达到最小值328 mm.

综上分析可知,卸压钻孔长度为10 m时,巷道围岩的卸压效果较好,且围岩变形量较小。

2.4 钻孔间距

模拟时,设置钻孔长度为10 m,分别对比无卸压钻孔、单排卸压钻孔、双排卸压钻孔(间距为1.2 m)及双排卸压钻孔(间距为0.6 m)下的巷道围岩应力及变形特征。

随着卸压钻孔数量的增多、钻孔间距减小,巷道围岩的应力集中程度明显减小,且应力降低区域的范围也逐渐扩大,有利于巷道的稳定,说明钻孔间距越小,卸压效果越明显。

图2为不同卸压钻孔间距下的围岩位移特征。由图2可知,巷道底板变形量随着钻孔间距的减小,呈先减小后增大的趋势,并在钻孔间距为1.2 m时达到最小值253 mm;而巷道顶板下沉量及巷帮变形量基本随着钻孔间距的减小,呈先增大后减小的趋势,并在钻孔间距为1.2 m时达到最小值,均为385 mm.因此,综上所述,确定合理的钻孔间距为1.2 m,此时,巷道围岩的卸压效果较好,且围岩变形量较小。

图2 不同卸压钻孔间距下的围岩位移特征

2.5 钻孔直径

不同钻孔直径下的巷帮围岩内垂直应力分布特征如图3所示。

图3 不同钻孔直径下的巷帮围岩内垂直应力分布特征

由图3可知,随着钻孔直径的增大,巷帮内垂直应力峰值及峰值点与巷帮表面的距离均呈先增大、后减小、再增大、再减小的趋势,当卸压钻孔直径为120 mm时,巷帮内垂直应力峰值为44 MPa,峰值点与巷帮的距离为9.6 m,应力峰值较小,并且峰值位置距巷帮较远,卸压效果最明显。

综合数值模拟结果,确定出合理的卸压钻孔长度为10 m,钻孔间距为1.2 m,钻孔直径为120 mm.

3 现场实践

3.1 钻孔布置

根据数值模拟结果结合现场实际,在2-2021巷道两帮施工卸压钻孔,钻孔深度不低于10 m,钻孔间距为1.2 m,钻孔孔径为120 mm,每排施工4个钻孔,排距为3 m.采用ZY-150型钻机进行钻孔。

3.2 应用效果分析

为分析卸压钻孔的卸压效果,在巷道内布置测点对围岩表面的位移情况进行监测。监测结果显示,随着工作面的回采,巷道变形量逐渐增大,监测期间巷道顶板最大下沉量为150.4 mm,最大底鼓量为42.7 mm,两帮最大移近量为170.7 mm,围岩整体变形量均在允许变形范围内,说明设计的卸压钻孔有效改善了巷道围岩的应力环境,应用效果良好。