采动影响下瓦斯综治巷围岩稳定性控制技术_任帅.pdf

*基金项目:安徽省自然科学基金项目(2 1 0 8 0 8 5 M E 1 5 5);淮南市重点研究与开发计划项目(2 0 2 1 A 0 5).采动影响下瓦斯综治巷围岩稳定性控制技术*任帅1,2,罗勇1,2,肖殿才1,2,鲁德超1,2,余国锋1,2(1.淮南矿业(集团)有限责任公司,深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室,安徽 淮南市 2 3 2 0 0 0;2.淮河能源控股集团有限责任公司,深部煤炭开采耦合灾害防控国家矿山安全监察局重点实验室,安徽 淮南市 2 3 2 0 0 0)摘 要:控制采动影响下瓦斯综治巷围岩稳定性是高瓦斯矿井亟待解决的支护难题,通过理论分析、数值模拟、现场试验等方法探究了切顶卸压技术在潘三矿瓦斯综治巷稳定性控制的实施效果。理论分析得出瓦斯综治巷所在岩层处于工作面开采后形成的裂隙带层位,巷道周边原有集中应力与工作面侧向采动支承压力叠加,引起瓦斯综治巷应力环境恶化,且采动应力场起主导作用。数值模拟研究表明实施运顺切顶卸压技术措施后,巷道两帮应力集中程度降低,应力集中系数减小,围岩破坏程度减弱,破坏范围减小,有效地改善瓦斯综治巷围岩应力环境。现场监测表明,实施切顶爆破技术措施后,对瓦斯综治巷的卸压保护效果有一定滞后,首个切顶炮孔前1 0 0m范围内瓦斯综治巷仍变形明显,但变形量随着切顶范围的增大逐渐减小,巷道维护状态逐渐改善;首个切顶炮孔前1 0 0m范围以外,远场卸压及应力阻断效果明显,瓦斯综治巷基本无剧烈变形破坏情况,巷道维护状态良好。关键词:采动影响;切顶卸压;瓦斯治理巷;控制技术0 引言建立瓦斯抽采巷是高瓦斯矿井治理瓦斯超限的重要手段,在工作面采动影响下,瓦斯治理巷道容易受应力变化影响发生变形破坏,造成使用年限缩短、维护成本大等问题13。因此,如何控制瓦斯治理巷围岩稳定,降低支护成本是现阶段矿井亟待重视的难题。国内外学者在控制采动影响下巷道围岩稳定性控制方面做出了大量研究41 4。吴祥业等1 5研究了双巷布置时留巷受重复采动下稳定性及变形问题,得出巷道的空间位置布置是影响塑性区大小的重要因素,双巷间距越大,则留巷受采用影响越小。刘凯文等1 6针对采空区侧留巷围岩变形问题进行了探究,得出巷道发生变形破坏主要发生在工作面后方,并提出了“锚索+钢带”加强支护治理方案。张守宝1 7探究了预留联络巷的变形机制和失稳因素,对比了桁架锚索及单体锚杆索对巷道围岩稳定控制的优越性,得出桁架锚索支护下联络巷稳定性良好。付玉凯等1 8研究了深部煤层留巷难的问题,提出采用“卸 支 注”协同控制原理使岩体形成合理的能量耗散机制,达到控制巷道稳定的目的,现场试验效果良好。以上的研究成果集中于加强支护手段、注浆等方法来控制围岩稳定,本文通过理论分析、数值模拟、物理模拟、现场监测等手段探究了爆破预裂技术在工作面留巷特别是瓦斯治理巷中的应用,通过切断应力传播途径来改善巷道应力积聚情况,控制巷道稳定性,研究结果可为同类型矿井提供参考依据。1 工程背景潘三矿位于淮南市潘集区芦集镇,井田走向长9.6k m,南北宽5.8k m,面积5 4.3k m2。矿井为煤与瓦斯突出矿井,水文地质类型中等。目前潘三矿1 1煤瓦斯综治巷与工作面外错布置,在运输巷道顶板上方2 5m左右层位,距运输巷道水平距离3 5m,巷道受多次采动影响,维护难度大,变形剧烈,需投入大量的人力、物力进行巷道的维护,巷道现场如图1所示。I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.002图1 采动影响下瓦斯综治巷变形1 7 1 9 1(1)工作面位于东四1 1 2煤下部采区,东起潘三 潘一井田边界煤柱,西至东四采区下山,北起1 7 1 8 1(1)运输顺槽,南至1 7 1 9 1(1)运顺瓦斯综合治理巷。1 7 1 9 1(1)工作面平剖面图如图2所示。图2 1 7 1 9 1(1)工作面布置2 爆破切顶护巷技术原理如图3所示,工作面采动影响下系统巷道具有以下特点。图3 采场覆岩结构及应力分布(1)系统巷所在岩层处于工作面开采后形成的弯曲下沉带层位,系统巷周边围岩受到“上三带”岩层运移的影响。(2)系统巷处于工作面超前采动支承压力区影响范围内,巷道周边原有集中应力与工作面超前采动支承压力叠加,引起系统巷应力环境恶化。(3)系统巷围岩失稳源于巷道周边应力场和采动应力场的“近 远场”综合作用,且采动应力场起主导作用。由以上特点可知,尽可能减少工作面采动应力场对系统巷的影响是实现系统巷围岩稳定性控制的根本前提。因采用爆破切顶的方式,有效减弱了工作面超前采动支承压力强度,达到改善系统巷应力环境的目的。如图4所示,停采线附近的顶板厚硬“岩梁”是采动应力传递至系统巷的渠道,也是切顶爆破的目标岩层。针对上述层位实施爆破切顶技术措施后,可以达到以下效果。图4 预裂爆破后超前支承压力曲线(1)切断系统巷周边岩层与采空区上方“上三带”岩层联系,有效削弱“上三带”岩层运移对系统巷周边围岩的影响。(2)切断超前支承压力传递至系统巷周边的渠道,阻断采动应力传播。(3)减弱采动应力场的主导作用,有效改善系统巷周边应力环境,实现远场卸压护巷。3 爆破切顶卸压数值模拟3.1 模型建立根据1 7 1 9 1(1)工作面实际地质情况,建立数值模型,模型尺寸(长宽高)为:3 6 0m2 7 0m1 8 0m,模型如图5所示,本次模拟工作面推进长度为2 0 0m。图5 数值模拟计算模型切顶采用深孔爆破切顶,爆破方案如下。(1)1号孔开孔位置位于运顺巷道顶板中部,与运顺走向夹角9 0,倾角7 6,孔深5 3m,孔径9 4mm,93任帅,等:采动影响下瓦斯综治巷围岩稳定性控制技术孔间距1 0m,封孔长度1 8m。(2)2号孔开孔位置位于运顺巷道顶板中部,与运顺 走 向 夹 角9 0,倾 角6 0,孔 深2 6 m,孔 径4 2mm,孔间距1 0m,封孔长度9m。3.2 模拟结果预裂切顶后工作面上覆岩层应力分布情况如图6所示。图6 预裂切顶后工作面上覆岩层应力分布特征由图6可知,预裂切顶后,在模型开挖过程中,上覆岩层应力演化规律与未切顶时基本一致,与未切顶相比,切顶后上覆岩层垂直应力大小有所减小,瓦斯综治巷所处岩层最大垂直应力由3 3.6 4M P a降至2 9.2 3M P a。结果表明,对工作面高位顶板进行爆破预裂切顶处理能有效减小围岩应力,改善顶板巷道应力环境。沿工作面倾向剖面瓦斯综治巷所处岩层及其上方岩层垂直应力分布规律如图7、图8所示。图7 切顶后沿工作面倾向剖面瓦斯综治巷所处岩层垂直应力分布图8 切顶后沿工作面倾向剖面瓦斯综治巷上方1 6m处岩层垂直应力分布由图7、图8可知,工作面开采前期,工作面前方上覆岩层仅遭受超前采动应力影响,其上覆岩层应力分布情况与未切顶时基本一致,当该段上覆岩层及巷道开始受侧向采动支承压力影响时,对其顶板进行预裂处理后,瓦斯综治巷所处岩层及其上方岩层垂直应力有所减小,巷道垂直应力集中程度降低,分别由切顶前的2 3.1 6M P a减小到切顶后的2 1.6 0M P a,巷道上方1 6m处岩层最大垂直应力由切顶前的1 7.2 6M P a减小到切顶后的1 7.0 0M P a;预裂爆破切顶能有效阻断侧向支承压力向巷道及其上方岩层的传递,该结论与相似模拟试验一致。切顶前后瓦斯综治巷帮部应力集中程度如图9所示。图9 切顶前后瓦斯综治巷帮部应力集中程度由图9可知,工作面开采前期,工作面前方瓦斯综治巷仅受超前采动应力影响,围岩应力分布情况与未切顶时基本一致,当瓦斯综治巷及周边围岩进入受侧向采动支承压力影响范围时,由于顶板爆破04采矿技术2 0 2 3,2 3(2)预裂效应,巷道两帮应力集中程度降低,应力集中系数减小。切顶后,随着工作面的推进,巷道围岩塑性破坏演化趋势与未切顶前一致,但切顶后围岩破坏程度减弱,破坏范围减小,底板、两帮和顶板破坏范围减小量分别为1.0m、0.8m、0.5m。4 现场实测及效果分析在1 7 1 9 1(1)工作面运顺及瓦斯综治巷布置测站,观测切顶后的矿压显现及巷道位移,1 7 1 9 1(1)工作面运输巷道矿压如图1 0所示,瓦斯综治巷巷道位移如图1 1所示。(a)1 0#测站(b)1 4#测站图1 0 1 7 1 9 1(1)运顺矿压观测结果回采期间,1 7 1 9 1(1)工作面运顺矿压观测各测站数据均出现缓慢上升后趋于稳定阶段。1 0#测站以2 0 1 9年3月2 2日为观测零点,1 4#测站以2 0 1 9年6月3日为观测零点,测站监测的两帮移近量均小于6 0mm,顶底板无变形。1 7 1 9 1(1)工作面瓦斯综治巷1 2#测点测站监测变形 量 均 不 大 于5 0 0 mm,其 中 两 帮 移 近 量2 1 5mm,顶底移近量达到4 7 6mm。图1 1 瓦斯综治巷巷道变形现场观测(a)8#站 (b)1 0#站图1 2 1 7 1 9 1(1)工作面瓦斯综治巷现场照片现场施工如图1 2所示,采用深孔切顶效果显著,巷道切顶前(8#抽采站)顶底高度仅有1.61.8m,两帮3.03.2m,首个切顶炮孔前1 0 0m(1 0#抽采站)范围内顶底板高度2.32.8m,两帮宽3.4 3.6m,但巷道变形量逐渐减小,巷道围岩状态逐渐改善,说明切顶范围达到1 0 0m后可达到远场卸压、应力阻断的效果。距首个切顶炮孔2 0 0m(1 2#抽采站)外的巷道测试结果表明,顶底高度有2.9 3.0m,两帮3.6 3.8m,基本无剧烈变形破坏情况,切顶卸压护巷效果明显、巷道维护状态良好。5 结论(1)瓦斯综治巷所在岩层处于工作面开采后形成的裂隙带层位,处于采场上覆岩层应力集中区影响范围内,巷道周边原有集中应力与工作面侧向采动支承压力叠加,引起瓦斯综治巷应力环境恶化;瓦斯综治巷围岩失稳源于巷道周边应力场和采动应力场的“近 远场”综合作用,且采动应力场起主导作用。(2)通过数值模拟研究得到,实施运顺切顶卸压技术措施后,巷道两帮应力集中程度降低,应力集14任帅,等:采动影响下瓦斯综治巷围岩稳定性控制技术中系数减小,围岩破坏程度减弱,破坏范围减小;通过对关键层位岩层的爆破切顶可有效地改善瓦斯综治巷围岩应力环境。(3)现场工程应用及矿压监测表明,实施切顶爆破技术措施后,对瓦斯综治巷的卸压保护效果有一定滞后,首个切顶炮孔前1 0 0m范围内瓦斯综治巷仍变形明显,但变形量随着切顶范围的增大逐渐减小,巷道维护状态逐渐改善;首个切顶炮孔前1 0 0m范围以外,远场卸压及应力阻断效果明显,瓦斯综治巷基本无剧烈变形破坏情况,巷道维护状态良好。参考文献:1 康红普,颜立新,郭相平,等.回采工作面多巷布置留巷围岩变形特征与支护技术J.岩石力学与工程学报,2 0 1 2,3 1(1 0):2 0 2 2-2 0 3 6.2李季,马念杰,丁自伟.基于主应力方向改变的深部沿空巷道非均匀大变形机理及稳定性控制J.采矿与安全工程学报,2 0 1 8,3 5(4):6 7 0-6 7 6.3刘洪涛,吴祥业,镐振,等.双巷布置工作面留巷塑性区演化规律及稳定控制J.采矿与安全工程学报,2 0 1 7,3 4(4):6 8 9-6 9 7.4苏超,弓培林,康红普,等.深井临空高应力巷道切顶卸压机理研究J.采矿与安全工程学报,2 0 2 0,3 7(6):1 1 0 4-1 1 1 3.5左建平,孙运江,文金浩,等.岩层移动理论与力学模型及其展望J.煤炭科学技术,2 0 1 8,4 6(1):1-1 1+8 7.6耿继业,王方田,张洋,等.高应力煤巷围岩控制关键技术研究J.煤炭科学技术,2 0 1 9,4 7(9):1 8 9-1 9 6.7谢和平,周宏伟,薛东杰,等.煤炭深部开采与极限开采深度的研究与思考J.煤炭学报,2 0 1 2,3 7(4),5 3