煤矿动压巷道围岩稳定性协同卸压控制技术研究

2024-02-26何鹏飞

西部探矿工程 2024年2期

何鹏飞

（山西焦煤霍州煤电木瓜煤矿，山西吕梁 033100）

随着矿井采掘强度的不断提高，巷道矿压显现愈发复杂，常规支护手段不足以满足复杂多变的巷道围岩控制需求。动压巷道是煤矿开采中由于开采扰动剧烈作用的一类巷道，其主要的特点是巷道围岩变形较大，返修次数多，存在较大安全隐患，严重制约煤矿安全高效开采。而强动压巷道围岩应力环境比一般巷道更为复杂，巷道围岩塑性区演化范围更广，围岩表面结构破坏严重，常伴随巷道顶板大范围下沉甚至冒落、严重底鼓以及煤壁大范围片帮等现象。对于强动压巷道而言，采用常规支护手段来实现巷道围岩控制收效甚微，不仅很难满足矿井安全生产需求，而且会增加大量维修成本。因此，常规“抗压”支护理念并不适应于强动压巷道支护，须从巷道围岩应力环境入手，向“卸压”转变，优化复杂的应力环境[1-2]。钻孔卸压技术是一种改变巷道围岩高应力环境的技术手段，通过在巷道两帮或顶底板上布置多个钻孔，由钻孔破坏巷道表面围岩结构形成局部塑性区，多个钻孔形成的塑性区相互贯通连接形成卸压带，将巷道围岩浅部应力集中区向围岩深部转移，实现应力的重新分布，达到卸压的目的[3]。但在实际工程应用中，钻孔的大小直接影响卸压的效果，大直径钻孔会加剧巷道浅部围岩的破坏，加速巷道变形；小直径钻孔不足以改变巷道高应力环境。本文以山西焦煤霍州煤电木瓜矿强动压巷道为工程背景，分析动压巷道围岩变形破坏特征及规律，基于钻孔卸压原理，分析变孔径卸压原理，研究变孔径钻孔对巷道围岩稳定性的影响规律，提出变孔径钻孔卸压技术，为类似强动压巷道支护提供参考。

1 动压巷道围岩变形破坏特征

1.1 工程地质概况

霍州煤电木瓜矿位于山西省吕梁方山县大武镇木瓜村，井田面积10.63km2，矿井核定生产能力1.5Mt/a，现在主要开采10#煤层，厚度为3.65~3.85m，平均约3.8m，煤层倾角为3°~10°，平均约6°。10-206综采工作面走向长度约为469m，倾向长度约为87m。煤层直接顶主要以泥岩、砂泥岩为主，岩层厚度为0~7.5m，平均约6.5m；老顶以K8中细砂岩为主，岩层厚度为6.0~8.0m，平均约7.2m；直接底以泥岩为主，岩层厚度为4.0~6.5m，平均约4.5m。10-206 综采工作面西北部为10-203 工作面采空区，东北部紧邻二采区正前系统巷道。目前10-206 综采工作面正在回采过程中，由于上工作面采空区的影响，加之本工作面回采影响，工作面矿压显现较为剧烈，巷道围岩变形较大。

1.2 巷道围岩变形破坏特征

通过现场巷道围岩变形监测，巷道在掘进期间，巷道两帮移近量明显高于顶底板，两帮及顶底板移近量分别为210mm 和143mm，煤柱帮围岩变形最为严重，局部肩窝处出现明显的挤压变形，导致部分顶板下沉，锚杆绷断失效。在工作面回采期间，巷道受采动影响严重，超前工作面100m 范围内围岩变形剧烈，两帮最大移近量增加至562mm，顶底板最大移近量达352mm，出现大范围的帮部鼓肚和片帮现象。此外，在巷道底板局部位置底鼓严重，出现鼓起开裂、皮带架歪斜倾倒现象。

2 钻孔卸压原理

2.1 钻孔卸压原理

巷道开挖后围岩应力重新分布，巷道围岩结构在应力作用下发生改变，由巷道浅部围岩向深部依次为破碎区、塑性区以及弹性区，塑性区与弹性区交界区处围岩处于承载极限。钻孔卸压是通过在巷道两帮或顶底板布置多个钻孔，钻孔破坏巷道表面围岩结构形成局部塑性区，多个钻孔形成的塑性区相互贯通连接形成一个大的卸压带，将塑性区范围向深部延伸，原围岩承载极限区域顺势后移，达到卸压目的。

2.2 变孔径卸压原理

基于钻孔卸压原理，采用小直径钻头对巷道浅部围岩（破碎区）进行钻孔布置，避免新形成的钻孔围岩塑性区相互贯通，不破坏巷道浅部围岩的原有的整体承载结构。孔洞延伸至围岩应力峰值附近，采用大直径钻头对巷道围岩应力峰值处进行大直径转孔，多个大孔径钻孔塑性区相互贯通形成一个大的卸压带，将围岩应力峰值向巷道深部转移，实现变孔径卸压，如图1所示。

图1 变孔径钻孔卸压原理图

3 变孔径钻孔对巷道围岩稳定性影响

3.1 数值计算模型建立

根据巷道地质工程概况，采用FLAC3D 数值模拟软件建立三维数值计算模型，如图2 所示。模型长×宽×高=80m×30m×60m，根据煤矿地质报告设置巷道侧压系数λ=0.8。在巷道两帮各布置间距为1m 的4 个变孔径钻孔，浅部钻孔深度为4m，深部钻孔直径统一设置为250mm，钻孔深度为12m，改变巷道浅部钻孔直径，计算浅部钻孔直径对巷道围岩稳定的影响。模拟方案如表1所示。

表1 变孔径钻孔数值模拟方案

图2 变孔径钻孔数值计算模型

3.2 浅部钻孔直径对巷道围岩稳定性的影响

图3 所示为不同浅部钻孔直径下巷帮围岩垂直应力分布云图。由图可知，巷道未钻孔卸压时巷道两帮最大应力集中区距巷道帮部约6.4m，随着巷道进行变孔径钻孔卸压，巷道两帮最大应力集中区逐渐向巷道深度转移。当浅部钻孔直径为250mm时，巷道两帮最大应力集中区距离巷道两帮约17m。由此可知，采用变孔径钻孔卸压可有效向深部转移巷道两帮应力[4]。

图3 不同浅部钻孔直径下巷帮围岩垂直应力分布云图

图4 所示为不同浅部钻孔直径下巷帮围岩垂直应力分布曲线。由图可知，未进行钻孔卸压时，巷道围岩破碎区距巷道帮部约为3m，巷道围岩垂直应力约为15.2MPa。随着浅部钻孔直径的增大，巷道围岩破碎区范围逐渐增大，浅部围岩整体承载结构遭到破坏，原巷道垂直应力峰值位置围岩强度急剧减小，当浅部钻孔直径为250mm 时，巷道围岩破碎区距离巷道帮部约14.5m 此时，原巷道垂直应力峰值位置围岩强度由15.2MPa 衰减至7.6MPa，巷道两帮最大垂直应力由15.2MPa增大至17.6MPa。

图4 不同浅部钻孔直径下巷帮围岩垂直应力曲线

4 工业性试验

4.1 变孔径钻孔卸压技术

基于变孔径钻孔对巷道围岩稳定性影响规律，结合试验巷道巷道地质工况，对试验巷道变孔径钻孔卸压进行方案设计，变孔径钻孔布置如图5所示。

图5 变孔径钻孔布置图

（1）浅部钻孔直径。通过上文中对浅部钻孔直径的模拟结果显示，随着浅部钻孔直径增大，巷道围岩塑性区逐渐增大，巷帮垂直应力峰值逐渐向深部转移。但增大浅部钻孔直径的同时，巷道浅部围岩破碎区也随之增大，造成围岩承载结构的破坏，锚杆有效约束力减小。因此，结合现场应用工况，选择试验巷道浅部钻孔直径为100mm。

（2）深部钻孔直径。进行深部钻孔时需采用可变直径转孔卸压装置，该装置需通过增大水压方式使扩孔刀片张开，故结合现场使用条件及模拟结果，确定试验巷道深部钻孔直径为250m。

（3）变孔径位置及钻孔间距。根据模拟结果显示，变孔径位置应处在巷道围岩锚杆支护区后，围岩应力集中峰值前时卸压效果最佳。结合巷道锚杆、锚索支护参数及模拟结果，设置变孔径位置为4m。同时，钻孔间距太小施工较慢，巷道围岩承载结构易遭到破坏；钻孔间距太大，深部钻孔不易形成新的塑性区。结合现场实际情况，钻孔间距设置为2.0m。

（4）变孔径钻孔施工方法。变孔径钻孔施工时使用可变直径钻孔卸压装置，如图6所示。在对巷道浅部围岩进行钻孔时给予较小的水压，水流通过中空柱塞的圆形空洞流出，流出的水流带着钻孔产生的粉尘一同流出钻孔。直至浅部钻孔延伸至4m处，改用打水压进行钻进，此时水压推动中空柱塞向前移动，在中空柱塞的推力作用下扩孔刀片弹起进行大直径钻孔。待钻孔深度达到16m 后关闭水压，扩孔刀片在弹簧拉力的作用下收回，取出可变直径钻孔卸压装置[5]。

图6 变孔径钻孔施工方法图

4.2 巷道围岩变形监测

图7 所示为巷道卸压前后围岩变形曲线，由图可知，巷道未采用钻孔卸压前，巷道顶底板移近量约为362.3mm，两帮移近量约为580.2mm，围岩变形量较大，严重影响巷道正常安全使用。采用变孔径钻孔卸压后，巷道围岩变形量明显减小，其中顶底板移近量减小至248.8mm，减小了31.5%；两帮移近量减小至308.7mm，减小了46.7%。变孔径钻孔技术的应用有效控制巷道围岩变形，保证了巷道安全使用。