煤巷群受动压扰动范围分析及护巷技术应用

司广宏,王 刚,李 钢,王 洋

(1.潞安化工集团 余吾煤业公司，山西 长治 046100;2.山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918)

采煤工作面回采期间,会在采场周边(前方、后方、侧方)形成一定范围的动态变化的支承压力,处于支承压力区内的巷道受到扰动会发生不同程度的变形破坏,即通常所说的“动压扰动”影响[1]。相关研究表明[2-8],根据现场开采条件的不同,超前支承压力的扰动范围从数十米至数百米不等。采区大巷布置于煤层中,优点是可以提升巷道掘进效率,快速形成生产系统,使矿井尽早投产获得经济效益；缺点也很明显,就是布置于煤层中的巷道后期很容易受到两翼采煤工作面动压扰动影响,维护工作量大,安全性差[9]。以余吾煤业北风井东西翼采区为例[10-11],每当有工作面回采结束,周边大巷及边角区域就会产生不同程度的矿压显现,巷道顶板破碎下沉形成坠包、锚杆(索)受力崩断,如果不及时维护很容易发生顶板事故;巷道底鼓、帮鼓也影响了人员及物料运输,阻碍了矿井正常生产。为了避免或者减轻动压扰动给周边巷道带来的影响,需设计合理的停采线距离,并预判影响区域,及时对巷道采取加强支护措施,力求对采区大巷造成的影响降到最低。

1 采区概况

余吾煤业北部井田以北风井为界,划分为东翼、西翼两个采区,在采区中部沿东西方向布置有5条集中大巷。所有的大巷均布置于3#煤层中,形成煤层巷道群,煤柱宽度为30 m。在采区的两翼布置采煤工作面进行回采作业。以开采强度最大的西翼采区为典型区域,工作面及巷道布置情况(局部)如图1所示。

图1 西翼采区工作面及巷道布置(局部)

北风井西翼采区已回采结束8个采煤工作面,北风井东翼采区已回采结束5个采煤工作面,已完成回采任务的工作面及停采线与大巷距离情况统计如表1所示。

表1 工作面概况统计

2 影响范围分析

2.1 现场案例分析

按回采时间先后选取N1102、N1202、N1206、N2103等4个典型工作面,对大巷造成的破坏范围进行汇总分析。

1)N1102工作面于2014年回采结束,停采线距离西翼1#回风大巷位置最近70 m,最远122 m。现场巷道矿压显现情况:正对的5条大巷均受到动压影响,其中靠近工作面的西翼1#回风大巷、西翼辅运大巷、西翼胶带大巷变形最为严重,均进行了挑顶作业;西翼进风大巷进行了局部刷帮、挑顶;最远的西翼2#回风大巷受影响最轻,仅在边角区域有局部底鼓现象。以停采线两侧边缘点为圆心画半圆,将受影响巷道区域覆盖在内,得出边角动压扰动半径为230～289 m；同理以停采线中心点为圆心画半圆可得出中心动压扰动半径为306 m,影响范围平面图如图2所示。

图2 N1102工作面动压扰动范围

2)N1202工作面于2015年回采结束,停采线距离西翼2#回风大巷位置最近173 m,最远240 m。扰动区矿压显现情况:工作面对应区域西翼2#回风大巷发生底鼓及顶板下沉;N1202高抽巷口至N1202回顺辅运巷口巷段顶板下沉严重,破碎漏煤;西翼进风大巷局部区域锚索崩断(已提前采取加固措施);西翼胶带大巷顶板下沉较严重,局部区域形成坠包漏煤;处于工作面边角区的西翼采区水泵房全断面来压收敛,顶板及帮部喷浆皮掉落,局部锚杆崩断。根据巷道破坏范围,得出N1202工作面边角动压扰动半径为233～274 m,中心动压扰动半径为290 m,影响范围如图3所示。

图3 N1202工作面动压扰动范围

3)N1206工作面于2020年回采结束,停采线距离西翼2#回风大巷位置最近151 m,最远196 m,工作面末采阶段进行了水力切顶卸压试验。现场矿压显现情况:工作面对应的西翼2#回风大巷发生严重底鼓,1#巷口往东至均压巷口范围巷道帮鼓;均压巷口顶板发生严重下沉,1#、2#瓦斯管道井收敛挤压瓦斯管;北风井措施巷工字钢棚来压轻微变形;胶带大巷均压巷风桥处帮鼓挤压皮带,顶板下沉形成坠包。可得出N1206工作面边角动压扰动半径为166～215 m,中心动压扰动半径为257 m,影响范围如图4所示。

图4 N1206工作面动压扰动范围

4)N2103工作面于2020年回采结束,停采线距离东翼1#回风大巷位置最近158 m,最远202 m。现场矿压显现情况:工作面正对区域的东翼胶带大巷机头段锚杆(索)崩断较多,检修斜巷口顶板下沉严重,检修斜巷内顶板及帮部喷浆皮开裂;N2103胶顺辅运巷口往东80 m范围帮鼓,东翼进风大巷底鼓;工作面边角区东翼胶带辅运1#巷轻微底鼓,东翼瓦斯泵站口巷道帮鼓;东翼1#回风大巷边角对应巷段顶板下沉严重。圈定N2103工作面边角动压扰动半径为167～300 m,中心动压扰动半径为306 m,影响范围如图5所示。

图5 N2103工作面动压扰动范围

综合以上4个典型工作面对大巷造成的扰动情况,可得出以下结论。

1)采煤工作面对大巷的动压扰动不仅仅局限于工作面前方正对的巷道范围,还包括采空区边角(侧前方)对应区域,此区域受工作面超前与侧向支承应力叠加,在现场生产中很容易被忽视,不提前采取加固措施或者加固范围不足可能对巷道造成破坏。

2)综采工作面对煤层大巷群的动压扰动范围,以停采线为参照,中心扰动半径为257～306 m,平均约280 m;边角扰动半径为166～300 m,平均233 m。

3)采空区边角处两侧为实体煤更有利于超前支承应力传递,相邻两个采煤工作面停采线错位过大形成的边角区也有利于超前支承应力传递,可能对临近大巷造成不利影响。例如：N2103工作面,西南角边角两侧为实体煤,扰动范围300 m,东南角边角处一侧临近N2105采空区(停采线近似平行),扰动范围仅167 m;N1206工作面,西北角临近N1205采空区(停采线平行),扰动范围166 m;东北角为N2201采空区(停采线错位),扰动范围215 m;N1202工作面,西北角临近N1201采空区(停采线近似平行),扰动范围233 m;东北角为N1203采空区(停采线错位),扰动范围274 m;N1102工作面,西南角、东南角两侧均为实体煤,扰动范围分别为289 m及230 m。

4)由结论1)～3)可知，如果停采线距离大巷过近,会使得处于工作面包夹范围内的煤层巷道群受到多次回采动压影响,即大部分区域不仅要受到两侧工作面正对的中心动压扰动影响,还可能受到临近工作面边角动压扰动影响,多次动压扰动是导致煤层巷道群难以维护的直接原因。

5)采用水力切顶方案的N2106工作面对大巷的扰动范围减小,可见水力切顶卸压手段可有效减小采煤工作面动压扰动范围,减小巷修工程量,对保护大巷有利。

2.2 微震监测分析

2021年，余吾煤业安装了波兰进口的ARAMIS M/E微震监测系统,此系统可以实时监测工作面周边围岩活动情况,记录微震事件发生的时间、位置及能量大小,可用于分析采动应力对工作面周边围岩造成的影响范围。分别选取2021年6月N1105、N2203两个工作面的微震数据,生成剖面图，如图6、图7所示。

图6 N1105工作面微震事件分布

图7 N2203工作面微震事件分布

通过对N1105、N2203工作面微震事件发生区域进行分析，可以得出：N1105工作面微震事件大部分发生在水平方向滞后工作面226 m、超前工作面255 m范围内,垂直方向大部分事件发生煤层往上80 m、底板往下30 m范围内;N2203工作面微震事件大部分分布在水平方向滞后工作面230 m、超前工作面315 m范围内,垂直方向大部分事件发生在煤层往上100 m、底板往下40 m范围内。可以看出,监测到的微震活动区域超前工作面255～315 m,与现场动压对大巷造成的中心扰动半径257～306 m相差不大,二者很好地进行了相互验证。

3 护巷方案

综合现场经验及微震监测情况,确定采煤工作面停采线与大巷的安全距离至少为255 m,最优在300 m以上。停采线距离大巷过远会对煤炭资源造成极大浪费,停采线过近又会对巷道稳定造成重大影响,所以实际工作中需综合进行权衡。余吾煤业通过近些年经验总结,形成了“主动加固+主动卸压”相结合的护巷方案,在减少停采线距离的情况下保障大巷稳定。具体方案如下。

3.1 主动加固

在工作面进入末采阶段前,根据现场经验提前预判工作面对大巷的动压扰动范围,及时对影响范围内的巷道及硐室采取加固措施。目前余吾煤业主要采用3种主动加固方式,具体如下:

1)采用锚网索配合双钢筋梯子粱对巷道顶、帮进行加强支护。常用支护参数:加固锚索采用直径为22 mm高强度低松弛预应力钢绞线,其中顶锚索长度8 300 mm,3-3-3布置,帮锚索长度5 300 mm,2-2-2布置,顶、帮锚索同断面布置,间距均为1 200 mm,排距均为800 mm;顶、帮锚索均采用3支K2350低黏度快速树脂锚固药卷锚固,锚固长度为1 500 mm;配套采用300 mm×300 mm×16 mm的高强度蝶形托盘、可调心球垫及锁具;预紧力为250 kN,初次涨拉超涨拉至300 kN,锚固力为600 kN。配套采用Φ16 mm圆钢制作的双钢筋梯子梁进行加固,支护平剖面如图8所示。

图8 典型锚网索加固平剖面示意

2)在大跨度巷道交叉点采用11#矿用工字钢粱配合直径22 mm、长度为8.3 m的高强锚索对顶板进行加固,形成无腿棚式支护。每处交叉点巷道口打设一对无腿棚,棚间距0.5 m,每根工字钢梁打设3对总计6根锚索,使用配套高强锁具。支护示意如图9所示。

图9 巷道交叉点无腿棚式支护示意

3)在部分特殊巷段及硐室区域使用型号为DW42-250/110X的单体液压支柱配合π型钢粱形成“一粱三柱”形式对顶板加强支护,单体柱垫鞋板,棚距一般为0.8 m±0.1 m,可根据现场锚杆支护排距进行调整,π型钢梁长度也可根据现场巷道断面宽度进行调整。支护示意如图10所示。

图10 单体柱棚支护平剖面示意

3.2 主动卸压

在工作面末采期或者收尾结束，支架未回撤前,对相邻巷道或者工作面顶板采取高压水力切顶卸压措施,减小工作面上方采空区悬臂梁长度,减弱坚硬顶板的应力传递,从而减小对大巷群的扰动影响[12-14]。

3.2.1典型施工参数

1)末采期相邻巷道水力切顶卸压。以N1206工作面为例,利用N1206胶顺辅运巷与工作面切眼平行的优势,可在工作面末采期提前对巷道顶板进行切顶卸压。钻孔平面布置如图11所示,剖面如图12所示。

图11 N1206工作面水力切顶孔平面布置示意

图12 N1206工作面水力切顶孔剖面示意

a.钻孔布置参数:面朝工作面煤墙,距离工作面煤墙顶角往外0.5 m处施工切顶钻孔,在N1206胶顺辅运巷布置21个,N1206胶带顺槽布置7个,孔间距10 m,深度42 m。其中，N1206胶顺辅运巷钻孔仰角45°(图12(a)),N1206胶带顺槽钻孔仰角55°(图12(b))。

b.利用KZ54型切槽钻头对钻孔底部坚硬岩层进行横向切槽,安装压裂杆,头部采用跨式膨胀型封孔器对切槽区域进行封孔。

c.配套使用3ZSB80/62-90型高压柱塞泵进行倒退式压裂,每压裂1次后退3 m,前3次压裂保压时间30 min,之后保压20 min,压裂至孔口往上13 m处结束,继续下一循环。

2)收尾期工作面水力切顶卸压。以N2103工作面为例,工作面回采结束,支架未回撤前在切眼顶板打设切顶孔进行高压水力压裂施工,钻孔平剖面布置如图13所示。

图13 N2103工作面水力切顶孔平剖面示意

钻孔施工参数:工作面切眼长度320 m,钻孔间距10.5 m(每6组架压裂一次),高抽巷口处10 m范围内不压裂,总共布置30个水力压裂钻孔。钻孔间距10.5 m,从排头1#架开始,采用Φ56 mm钻头,利用ZLJ250地质钻机进行钻进,钻孔深度40 m,仰角75°,与煤墙夹角20°。其他钻孔切槽、封孔及压裂施工标准参考工作面末采期相邻巷道水力切顶卸压。

3.2.2效果分析

为评估N1206工作面水力压裂切顶卸压效果,分别在工作面对应的3条巷道(N1206胶顺辅运巷、西翼2#回风大巷、西翼进风大巷)各布置10组表面位移测站,从工作面开始收尾到支架回撤完毕,汇总巷道变形数据见表2所示。

由表2可以看出,N1206工作面相邻巷道采取水力切顶卸压措施后,10个月内巷道两帮累计位移量在565～758 mm之间,顶底板累计位移量在518～679 mm之间。而根据以往经验,比如N1202、N1102工作面仅采取提前加固措施未采取水力切顶卸压措施,对应大巷顶底板变形量一般在1～1.2 m左右,两帮变形量在1.2～1.4 m左右。可见采取水力切顶措施可显著减小巷道变形量。

表2 巷道变形数据统计

余吾煤业2020年分别对N1206、N2103两个工作面开展了水力切顶试验,取得了预期效果。其中N2106工作面距离大巷最近为151 m,N2103工作面距离大巷最近为158 m。根据试验结果得出,通过采取主动加固、主动卸压两种护巷方案,可使停采线距离大巷最小安全距离达到150 m,现场修巷工程量大大减少,保障了巷道稳定,提升了煤炭资源回收率。

4 结论

通过对余吾煤业北风井东西翼采区大巷受采动影响范围进行分析,结合微震活动规律,对采煤工作面停采线与大巷的安全距离进行了探讨。现场开展了水力切顶护巷试验,最终得出以下结论。

1)以工作面停采线中心及两侧边缘点为圆心画半圆,将煤巷群受动压扰动的范围进行覆盖,提出中心动压扰动半径及边角动压扰动半径的概念。选取4个典型采煤工作面进行经验对比总结,得出采煤工作面对煤巷群的中心动压扰动半径最小为257 m,最大为306 m,边角动压扰动半径最小为166 m,最大为300 m。

2)工作面停采线距离大巷过近,会使煤巷群受动压扰动次数及范围增加,加剧巷道的破坏程度,对安全生产不利。采区煤层大巷群加固范围的确定,不仅要考虑工作面正前方动压扰动影响,还需充分考虑采空区边角处的动压扰动影响。停采线边角处两侧为实体煤或者相邻工作面停采线错位过大,需考虑适当加大边角处的巷道加固范围;反之则适当减小巷道加固范围。

3)采煤工作面停采线与大巷安全距离的确定,在不采取任何加固措施的情况下,要保证煤层大巷群不受扰动或少受扰动,停采线与煤层大巷的安全距离最小不应少于255 m,最优需大于300 m。

4)工作面末采期采用水力切顶卸压措施可使大巷受动压扰动范围及变形量减小,间接减少巷修工程量。采用“主动加固+主动卸压”两种方式相结合的护巷方案,经过现场实践,可使工作面停采线与大巷安全距离减少至150 m,提升了煤炭资源回收率,同时也保障了大巷的安全稳定。