采動(dòng)影響下厚堅(jiān)硬頂板巷道圍巖控制技術(shù)＊

晉新林

（晉城煤業(yè)集團(tuán)古書院礦，山西省晉城市，048000）

1 工程概況

晉煤集團(tuán)古書院礦15＃煤層為主采煤層，工作面采用 “兩進(jìn)一回”布置方式，上一個(gè)工作面的回風(fēng)巷在回采過程中保留下來，作為下一個(gè)工作面的運(yùn)輸巷。預(yù)留巷道服務(wù)兩個(gè)工作面。目前，已回采過的工作面預(yù)留巷道受上一個(gè)工作面采動(dòng)影響，巷道片幫嚴(yán)重，底臌量最大可達(dá)到1.5 m，頂板變化不大，巷道斷面最大收縮率達(dá)到70%以上，失去二次使用的作用。預(yù)留巷道圍巖變形成為制約安全生產(chǎn)和采掘銜接的主要問題。本文結(jié)合15＃煤層地質(zhì)特征及開采條件針對(duì)1523103預(yù)留巷道受上工作面采動(dòng)影響的特點(diǎn)，確定合理的巷道圍巖控制方案，并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。

古書院礦152309工作面位于15＃煤層二盤區(qū)，工作面巷道布置采用一面三巷（兩進(jìn)一回）的布置形式，見圖1。1523103預(yù)留巷道作為152309工作面的回風(fēng)巷，在152309工作面回采過程中保留下來作為152310工作面進(jìn)風(fēng)巷，1523103預(yù)留巷道與152309工作面間隔25 m，中間為實(shí)體煤柱，如圖1所示。

圖1 152309工作面布置示意圖

工作面推進(jìn)長度1588.224 m，傾斜長度181.256 m，工作面煤層厚度0.8～2.8 m，平均厚度1.7 m，煤層傾角1°～9°，平均5°。工作面采高1.9～2.6 m。直接頂為厚10.13 m的K1灰?guī)r，老頂為厚1.0 m的砂質(zhì)泥巖，直接底為厚3.12 m的泥巖，老底為厚20 m的灰?guī)r。圍巖普氏硬度分別為煤層2～4、夾矸1～2、直接頂10～12、直接底1～2。柱狀圖如圖2所示。

圖2 152309工作面巖層綜合柱狀圖

1523103預(yù)留巷道采用矩形斷面，巷道頂?shù)装鍘r性與工作面頂?shù)装逡恢?，巷道斷面尺寸?600 mm×2600 mm（寬×高），巷道采用錨桿、錨索支護(hù)。頂板采用SKP15×1／1860－5400型錨索，打設(shè)在巷道頂板中間，排距800 mm，每根錨索采用1支MSK2335和2支MSZ2360樹脂錨固劑，錨索安裝預(yù)應(yīng)力在100 k N以上，同時(shí)，再打設(shè)2根錨桿，分別距兩幫900 mm，排拒800 mm，采用?18 mm×2000 mm無縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，采用1支MSK2335和1支MSZ2360樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，扭矩為80 N·m。兩幫各打設(shè)3根錨桿，間排距為800 mm×800 mm，規(guī)格同頂板錨桿，1523103巷道斷面原支護(hù)參數(shù)見圖3。

圖3 1523103巷道斷面原支護(hù)參數(shù)

2 巷道圍巖變形原因及控制原則

2.1 巷道圍巖變形原因

通過現(xiàn)場調(diào)研及分析認(rèn)為引起預(yù)留巷道圍巖變形的原因主要有：

（1）工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ω?。隨著152309工作面的回采，工作面后方形成大面積懸頂，未垮落的巖層以工作面前后及兩側(cè)煤壁為支撐點(diǎn)，將上覆巖層的壓力轉(zhuǎn)移到煤體與煤柱內(nèi)部，在保護(hù)煤柱內(nèi)形成較大側(cè)向支承壓力。

（2）巷道兩幫及底板圍巖強(qiáng)度低。預(yù)留巷道兩幫為煤體，在側(cè)向支承壓力作用下，內(nèi)部產(chǎn)生大量裂隙，裂隙的持續(xù)發(fā)育最終與自由表面相互作用，容易發(fā)生破裂乃至片幫；巷道底板為泥巖，易泥化膨脹，造成底板圍巖強(qiáng)度降低，隨著工作面支承壓力增加，巷道底板的剪脹變形進(jìn)一步加劇，從而導(dǎo)致底臌的發(fā)生。

（3）兩幫錨桿支護(hù)強(qiáng)度小。預(yù)留巷道在掘進(jìn)過程中，其圍巖變形量小，采取簡單錨桿支護(hù)即可有效控制。但是當(dāng)預(yù)留巷道受采動(dòng)影響之后，圍巖的破壞范圍逐漸擴(kuò)大，現(xiàn)有支護(hù)條件下錨桿的長度不能深入到關(guān)鍵承載圈，不能使圍巖錨固體形成有效承載結(jié)構(gòu)，錨桿支護(hù)達(dá)不到應(yīng)有的作用。

2.2 巷道圍巖控制原則

圍巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和巷道支護(hù)是決定巷道圍巖穩(wěn)定性的三大要素，降低圍巖應(yīng)力、增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度、選擇合理支護(hù)是保證巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵。通過對(duì)上述引起圍巖變形因素分析，提出以下控制原則。

（1）降低工作面?zhèn)认蛑С袎毫?。通過弱化工作面頂板、預(yù)先破壞工作面頂板的完整性、減小基本頂懸頂面積，緩解直接頂旋轉(zhuǎn)下沉作用在巷道圍巖內(nèi)的持續(xù)作用力，降低側(cè)向支承壓力在巷道內(nèi)的應(yīng)力集中程度，改善預(yù)留巷道的受力環(huán)境。

（2）增強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度。采用聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)一步提高圍巖強(qiáng)度?？稍谙锏纼蓭痛蛟O(shè)注漿錨索，通過注漿使無機(jī)或有機(jī)漿液滲透到煤體中鉆孔周圍的裂隙中，使得松散的煤體產(chǎn)生粘結(jié)固化作用，提高煤體的自承能力，同時(shí)為錨索提供可靠的著力基礎(chǔ)，增強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度。

3 預(yù)留巷道圍巖控制技術(shù)

針對(duì)原15＃煤層預(yù)留巷道圍巖變形破壞特點(diǎn)，依據(jù)提出的巷道圍巖控制原則，采取相對(duì)應(yīng)的卸壓與加固控制技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

3.1 工作面頂板卸壓技術(shù)

（1）切眼放頂技術(shù)。切眼放頂?shù)哪康氖乔袛嗲醒厶庬敯?，破壞工作面?jiān)硬頂板的完整性，減小工作面初次來壓步距，盡可能使冒落的矸石充滿采空區(qū)，形成矸石墊層，垮塌后的矸石可進(jìn)一步對(duì)上覆巖層起到一定的支撐作用，降低采空區(qū)兩側(cè)煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中程度，從而改善預(yù)留巷道圍巖的受力環(huán)境。設(shè)計(jì)方案應(yīng)充分考慮采空區(qū)上覆巖層各層位的厚度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能使堅(jiān)硬頂板完全垮塌。

152309工作面設(shè)備安裝前，在切眼內(nèi)距采空區(qū)側(cè)巷幫1 m處頂板上打眼。180 m長的切眼共布置A、B、C、D、E和a、b、c、d、e 10組炮孔，A和a每組為2個(gè)炮孔；B、C、D和b、c、d每組為3個(gè)炮孔，E和e每組為4個(gè)炮孔。炮眼B1、b1、C1、c1、D1、d1的長度為14 m，仰角為32°，裝藥長度7 m，裝藥量17.5 kg；A1、a1、B2、b2、C2、c2、D2、d2炮眼長度為14 m，仰角30°，裝藥長度6 m，裝藥量15 kg；A2、a2、B3、b3、C3、c3、D3、d3炮眼長度為16 m，仰角27°，裝藥長度8 m，裝藥量20 kg；E1、e1炮眼長度為14 m，仰角32°，裝藥長度7 m，裝藥量17.5 kg；E2、e2炮眼長度為14 m，仰角30°，裝藥長度6 m，裝藥量15 kg；E3、e3炮眼長度為16 m，仰角27°，裝藥長度8 m，裝藥量20 kg；E4、e4炮眼長度為10 m，仰角30°，裝藥長度4 m，裝藥量9.6 kg。炮眼剩余部分用炮泥封滿，a組與d組對(duì)稱，b組與c組對(duì)稱。

（2）巷幫預(yù)裂切頂技術(shù)。通過在1523092巷內(nèi)超前工作面向頂板打深孔，在工作面前方一定距離進(jìn)行爆破，切斷1523092與1523103兩巷間的頂板結(jié)構(gòu)，縮短煤柱上覆堅(jiān)硬頂板在采空區(qū)側(cè)的懸臂長度，減少煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中程度。

圖4 1523092巷預(yù)裂爆破炮眼示意圖

沿1523092巷靠近煤柱一側(cè)300 mm處，由切眼向工作面推進(jìn)方向每隔5 m布置1個(gè)鉆孔，鉆孔長度15 m，孔徑0.075 m，仰角為45°（向工作面后方），裝藥長度5 m，裝藥量15 kg，炮孔剩余部分用炮泥封滿，封泥長度10 m；切眼貫通后，工作面回采之前，布置好切眼向外50 m范圍內(nèi)的10個(gè)鉆孔，實(shí)施預(yù)裂爆破，如圖4所示。在152309工作面回采的過程中，始終保持工作面前方50 m范圍內(nèi)已經(jīng)實(shí)施預(yù)裂爆破。炮眼參數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場爆破效果適當(dāng)調(diào)整。

爆破時(shí)保證50 m的超前支護(hù)（包含安全規(guī)程規(guī)定的原有20 m超前支護(hù)），即在預(yù)裂爆破巷道分別距離兩幫600 mm處，從當(dāng)前工作面向前每隔1 m布置兩排單體支柱，用于加強(qiáng)切頂預(yù)裂后的超前支護(hù)，以保證1523092巷道在預(yù)裂爆破期間的穩(wěn)定。隨著工作面的回采，如此往復(fù)循環(huán)始終保持爆破時(shí)50 m的超前支護(hù)。

3.2 1523103預(yù)留巷道圍巖加固控制技術(shù)方案

在1523103巷道原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，從預(yù)留巷道的兩幫分別平行底板向煤壁內(nèi)補(bǔ)打注漿錨索以加強(qiáng)圍巖控制，即在現(xiàn)有每排錨桿之間三花眼交錯(cuò)方式增加規(guī)格為?22 mm×8300 mm的中空注漿錨索，上下兩排錨索分別增加?14 mm梯形鋼帶，1523103巷道加固前與加固后支護(hù)方案如圖5所示。

圖5 1523103巷道中空注漿錨索布置方案

在預(yù)留巷道內(nèi)補(bǔ)打注漿錨索后，可根據(jù)前述工作面頂板卸壓技術(shù)和注漿錨索加固技術(shù)的控制效果決定是否采用注漿方案加以補(bǔ)強(qiáng)，如果圍巖控制達(dá)不到指標(biāo)要求，則基于中空注漿錨索方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行巷道圍巖注漿加固。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在預(yù)留巷道中布置表面位移測點(diǎn)，對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明：

（1）預(yù)留巷道受工作面采動(dòng)影響期間的變形規(guī)律大致分為3個(gè)區(qū)：巷道無采動(dòng)影響變形區(qū)，工作面前方29.5 m外；受采動(dòng)影響圍巖變形區(qū)，工作面后方96 m至前方29.5 m之間；回采影響穩(wěn)定后的圍巖變形區(qū)，工作面后方96 m以外。

（2）在預(yù)留巷道各變形區(qū)內(nèi)，兩幫最大收縮量為65 mm，最大頂?shù)装逡平繛?16 mm，頂板無變形，巷道的變形主要以底臌為主，斷面最大收縮率僅為11%，斷面收縮率圍巖穩(wěn)定性大大提高。

5 結(jié)論

（1）維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定性所需考慮的因素不僅有要采用的錨桿支護(hù)參數(shù)還應(yīng)有圍巖條件、采動(dòng)影響、巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)等，上述各因素相互制約、相互關(guān)聯(lián)。對(duì)此，提出了降低巷道圍巖內(nèi)部應(yīng)力與增強(qiáng)巷道圍巖強(qiáng)度的控制原則。

（2）采用工作面卸壓結(jié)合巷道圍巖加固技術(shù)后，預(yù)留巷道圍巖變形量顯著降低，最大底臌量由原來的1.5 m降為0.116 m，斷面最大收縮率由原來的70%降為11%，巷道圍巖穩(wěn)定性大大提高。

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