工作面末采期间煤层大巷群围岩控制技术研究

2024-04-10李常浩

煤 2024年4期

李常浩

(潞安化工集团余吾煤业有限责任公司,山西长治 046103)

煤层内开掘巷道时,由于煤体自身强度远低于岩体且节理较为发育,因此开掘后原本稳定的三向应力状态发生改变而易于在开掘空间周围形成应力集中,进而致使煤巷围岩裂隙发育且变形量大[1-2]。众多专家针对煤层巷道围岩控制从锚杆索支护工艺优化、支护体构件改良方面进行研究[3-5],也有诸多学者从卸压、注浆加固的角度分析,改善煤层巷道围岩的受力环境[6-7]。上述研究多侧重于对某一方面进行细致的分析研究,但井工开采期间煤层内巷道所处的环境往往比较复杂,既受自身开掘所形成的应力集中影响,还会受到周围工作面开采活动的叠加干扰影响。

本文以N2105工作面末采阶段为工程背景,旨在研究其停采线前方的煤层大巷群围岩如何有效地控制变形和降低应力集中,以期为具有类似复杂工程条件下的煤层巷道围岩控制提供指导。

1 N2105工作面工程地质概况

余吾煤业N2105工作面目前处于回采末期,且工作面回采推进位置距离停采线已不足100 m.N2105工作面所开采的2号煤层平均厚度约为7.2 m,煤层倾角在3°～11°之间变化,煤层内没有明显的断层、褶曲等地质构造,且工作面采用一次性采全高的开采工艺,机械化开采程度较高。N2105工作面停采线前方布置有5条主要的煤层大巷,与停采线的距离由近及远依次为1号回风大巷、辅助运输大巷、胶带大巷、进风大巷和2号回风大巷,煤层大巷之间保护煤柱体的宽度基本控制在35 m左右。N2105工作面平面位置关系如图1所示。

图1 N2105工作面平面位置关系图

当N2105工作面回采推进至末采阶段后,由于其与停采线前方的煤层大巷群距离较小,其开采所形成的超前支承应力以及采空区上方覆岩运移所形成的动载扰动将会对煤层大巷群的围岩稳定性造成一定的影响。首先在煤层大巷群内各煤层大巷围岩破坏较为典型的区域预先施打煤层钻孔,然后用矿用钻孔窥视仪器对钻孔内围岩的破坏情况进行观测,得到的各煤层大巷围岩内深度为1.0 m位置处的煤体破坏情况如图2所示。

图2 煤层大巷群围岩内深1.0 m处钻孔窥视结果

根据图2可知,随着煤层大巷与停采线距离的增加,其围岩结构对应的破坏特征也由严重破碎过渡至较为完整,这表明与停采线距离更近的煤层大巷围岩所受到的N2105工作面超前支承应力和采空区上方覆岩运移扰动叠加影响较大,因而导致其围岩结构破碎严重;而远离停采线的煤层大巷围岩因受到的N2105工作面超前支承应力和采空区上方覆岩运移扰动影响较小,因此其围岩结构完整性较好。但后续随着N2105工作面回采推进,原本远离停采线位置处的煤层大巷所受到的N2105工作面超前支承应力和采空区上方覆岩运移扰动叠加影响也逐步增大,进而导致其围岩将会由原本完整的结构形态逐步演变为严重破碎状态,因此有必要对围岩结构完整的煤层大巷提前采取预防措施,同时对围岩结构严重破坏的煤层大巷采取针对性的补救措施。

2 顶板定向致裂卸压技术分析

针对远离停采线的煤层大巷,可以采取顶板定向致裂的方法来降低N2105工作面超前支承应力对其围岩的应力叠加影响。关于顶板定向致裂前后煤层大巷围岩内应力变化情况,采用UDEC3D离散元软件进行模拟分析,结合钻孔勘测结果,首先构建了长×宽×高=300 m×220 m×95 m的三维模型。三维模型中煤层大巷的开挖尺寸为宽×高=5.2 m×4.5 m,具体所构建的三维模型如图3所示。

图3 三维模型

图3所建立的三维模型中,煤岩层物理力学参数赋值情况基于实验室测定的煤岩样参数值确定,具体煤岩层赋值参数如表1所示。

表1 煤岩层物理力学参数赋值

三维模型中煤岩层内的节理基于现场地质资料并采用UDEC3D离散元软件内嵌的节理本构模型进行二次开发,煤岩层采用摩尔-库伦本构模型。三维模型中2号煤层距离模型顶面高度为58 m,同时结合煤层平均埋深为420 m可知,三维模型上表面距离地表的等效深度约为360 m,在此假设覆岩的平均容重为25 kN/m3.通过计算可以确定,在三维模型上表面施加的等效均布载荷值为9.0 MPa.三维模型的四周边界采用水平位移约束,底部边界采用固定位移约束,模型中以1号回风大巷和辅助运输大巷之间覆岩中厚度为22.5 m的细砂岩层为定向致裂的目标岩层。数值模拟运算最终得到的顶板定向致裂前后煤体内垂直应力变化规律如图4所示。

图4 顶板定向致裂前后煤体内垂直应力变化曲线

由图4可知,当对1号回风大巷和辅助运输大巷之间覆岩中厚度为22.5 m的细砂岩层未采取定向致裂前,两条煤层大巷之间宽为35 m的煤柱体内所承载的垂直应力呈现出“双峰值”分布状态,且靠近1号回风大巷侧的峰值应力值(19.4 MPa)要高于靠近辅助运输大巷侧的峰值应力值(18.1 MPa);当对1号回风大巷和辅助运输大巷之间覆岩中厚度为22.5 m的细砂岩层采取定向致裂后,两条煤层大巷之间宽为35 m的煤柱体内所承载的垂直应力同样呈现出“双峰值”分布状态,且在定向致裂范围由20 m增加至35 m的过程中,垂直应力“双峰值”分布曲线上的峰值应力值趋于相等。在顶板定向致裂范围为20 m时,靠近1号回风大巷侧和辅助运输大巷侧的峰值应力值分别为18.1 MPa和17.1 MPa.在顶板定向致裂范围为35 m时,靠近1号回风大巷侧和辅助运输大巷侧的峰值应力值分别为15.3 MPa和15.2 MPa.

综上分析可知,当对顶板内厚硬关键层定向致裂范围为20 m时,卸压程度相对较小,煤柱体内所承载的垂直应力在“双峰值”位置处的降幅分别为6.7%和5.5%;当对顶板内厚硬关键层定向致裂范围为35 m时,卸压程度相对较大,煤柱体内所承载的垂直应力在“双峰值”位置处的降幅分别为21.1%和16.0%.可见当对顶板内厚硬关键层进行充分致裂后,能够有效降低两条煤层大巷之间宽为35 m的煤柱体内所承载的垂直应力值,从而控制煤柱体内塑性区的扩展范围,并在一定程度上改善煤层大巷围岩的应力环境。

3 煤层大巷围岩注浆加固技术分析

当在煤层内开挖巷道后,会改变结构原本完整的煤体的受力环境,在采动支承应力叠加作用下围岩较为破碎,因此有必要对煤层大巷的围岩进行注浆加固,使受采动支承应力叠加作用而较为破碎的围岩结构能够胶结成连续性较好的整体结构,进而有效地提升煤层大巷围岩的主动承载性能,同时有利于锚杆索等支护体与围岩充分协同作用,更好地发挥支护体结构的被动承载能力。注浆加固煤层大巷围岩同样能够起到对N2105采空区上方覆岩运移所形成的动载扰动的进一步抵抗能力,抵抗动载扰动的作用机理如图5所示[8]。

图5 注浆加固后的煤层大巷抵抗动载扰动作用机理

针对某一具体煤层大巷围岩注浆参数的确定,以1号回风大巷为例,首先通过钻孔窥视的方法确定其围岩不同深度处裂隙张口尺寸的大小,其变化规律满足图6所示的拟合曲线。

图6 1号回风大巷围岩不同深度裂隙张口尺寸变化曲线

根据图6可知,其在煤层大巷围岩浅部区域裂隙张口尺寸最大,约为1.5 mm,而随着径向方向向围岩深部区域延伸,其裂隙张口尺寸呈指数规律减小,基本控制在0.1～0.2 mm之间。基于煤层大巷围岩内裂隙的变化规律,采用COMSOL Multiphysics数值仿真软件对注浆加固参数进行了模拟分析,得到了几种典型水灰质量比条件下浆液在围岩内的扩散规律,如图7所示。

图7 不同水灰比时浆液在围岩内扩散规律

由图7可知,随着水灰质量比由0.5∶1增大至1.5∶1,浆液在围岩内的扩散范围呈增大趋势;而在水灰质量比由1.5∶1进一步增大至2∶1的过程中,浆液在围岩内的扩散范围不增反降,因此确定适合1号回风大巷围岩最佳的水灰质量比为1.5∶1.

在水灰质量比为1.5∶1的基础上,得到了几种典型的注浆压力条件下浆液在围岩内的扩散规律,如图8所示。

图8 不同注浆压力时浆液在围岩内扩散规律

由图8可知,在注浆压力由1.0 MPa增大至5.0 MPa的过程中,浆液在围岩内的扩散范围基本保持不变,因此确定适合1号回风大巷围岩最佳的注浆压力为1.0 MPa.

4 现场工业性应用

当对现场1号回风大巷采取顶板定向致裂和围岩注浆加固措施后,随着N2105工作面的进一步回采推进,可在1号回风大巷围岩表面布置3组十字测站对其围岩变形规律进行矿压监测,监测数据平均值如图9所示。

由图9可知,后续N2105工作面回采推进60 d后,1号回风大巷围岩顶底板移近量平均值为148 mm,两帮移近量平均值为72 mm,相较于巷道原有断面尺寸收敛率分别为3.3%和1.4%.可见当对煤层大巷采取顶板定向致裂和围岩注浆加固措施后,其抵抗N2105工作面回采扰动影响能力的大幅度增加,且围岩所处的应力环境良好,因此能够在工作面末采阶段依旧安全、高效地服务于矿井生产作业。