回采強(qiáng)動(dòng)壓影響下煤層大巷圍巖控制技術(shù)探討

陳 凱

（潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046103）

工作面回采期間，采空區(qū)上覆覆巖的垮冒將會(huì)導(dǎo)致其中的堅(jiān)硬頂板產(chǎn)生懸頂效應(yīng)，當(dāng)懸頂?shù)揭欢ㄩL(zhǎng)度時(shí)，堅(jiān)硬頂板將會(huì)突然破斷產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)載荷。在堅(jiān)硬頂板懸頂?shù)倪^(guò)程中，將會(huì)對(duì)工作面前方煤體造成超前支承應(yīng)力，且懸頂長(zhǎng)度越大，所形成的超前支承應(yīng)力集中程度越高。

當(dāng)回采工作面前方存在煤層巷道時(shí)，隨著回采工作面推進(jìn)靠近煤層巷道，其極易受到回采強(qiáng)動(dòng)壓影響而圍巖碎裂。因此有必要針對(duì)工作面回采推進(jìn)至煤層巷道時(shí)對(duì)煤層巷道圍巖失穩(wěn)破壞影響進(jìn)行研究，提出合理的防范措施。

1 工程地質(zhì)概況

潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)所開(kāi)采的井田坐落于山西長(zhǎng)治屯留縣境內(nèi)，井田內(nèi)主采3 號(hào)煤層。該主采煤層平均厚度為6.31m，平均傾角為3°，屬于近水平厚煤層開(kāi)采，所采用的開(kāi)采工藝為綜采放頂煤方式。井田內(nèi)東翼采區(qū)北側(cè)首采面為N2105 工作面，其東側(cè)為N2106 未掘工作面，其西側(cè)為N2103 掘進(jìn)工作面，其北側(cè)為實(shí)體煤層，其南側(cè)為5 條上山煤層大巷。N2105 工作面埋深在507～597m 之間，工作面傾向長(zhǎng)為285m，走向長(zhǎng)約為2350m。N2105 工作面與上山煤層大巷平面位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 N2105 工作面與上山煤層大巷平面位置圖

N2105 工作面停采線南側(cè)的5 條上山煤層大巷由近及遠(yuǎn)依次為：1#回風(fēng)大巷、輔助運(yùn)輸大巷、膠帶大巷、進(jìn)風(fēng)大巷和2#回風(fēng)大巷。當(dāng)N2105 工作面回采推進(jìn)至停采線附近時(shí)，受回采強(qiáng)動(dòng)壓擾動(dòng)影響，5 條上山煤層大巷圍巖出現(xiàn)了不同程度的破壞。采用鉆孔窺探設(shè)備對(duì)5 條上山煤層大巷的圍巖進(jìn)行勘探，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 5 條上山煤層大巷圍巖鉆孔勘測(cè)結(jié)果

由圖2 可知，靠近N2105 工作面停采線一側(cè)的1#回風(fēng)大巷和輔助運(yùn)輸大巷受回采強(qiáng)動(dòng)壓影響最為嚴(yán)重，其巷道圍巖呈現(xiàn)出較為嚴(yán)重的碎裂現(xiàn)象，對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性控制極其不利；而離N2105 工作面停采線較遠(yuǎn)的2#回風(fēng)大巷，其圍巖完整性較好，說(shuō)明其受到N2105 工作面回采擾動(dòng)影響甚微；離N2105 工作面停采線位置居中的膠帶大巷和進(jìn)風(fēng)大巷圍巖呈現(xiàn)出較為完整的結(jié)構(gòu)，其圍巖中存在輕微的破碎現(xiàn)象。5 條上山煤層大巷圍巖的破壞程度由靠近N2105 工作面停采線一側(cè)向遠(yuǎn)離N2105 工作面停采線一側(cè)逐漸減輕，說(shuō)明N2105 工作面的回采擾動(dòng)效應(yīng)對(duì)于煤層大巷圍巖有著直接的影響作用。

2 注漿加固控制技術(shù)

由圖2 所示可知，針對(duì)煤層大巷圍巖受N2105工作面采動(dòng)影響而圍巖較為碎裂的問(wèn)題，可以采用注漿加固的方式來(lái)提高圍巖的完整性。

根據(jù)圖3 所示的圍巖分層注漿加固技術(shù)可知，對(duì)于煤層大巷淺部較為碎裂的圍巖進(jìn)行淺部注漿，而對(duì)于煤層大巷中部較為完整的圍巖進(jìn)行中部注漿，且針對(duì)巷道圍巖表面進(jìn)行噴層作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)圍巖的分層注漿加固。具體的實(shí)施步驟為：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖破壞情況，首先確定淺部注漿管和中部注漿管的長(zhǎng)度，并在圍巖中按照合理的間排距埋入注漿管，注漿管口露出巷道表面；其次對(duì)巷道圍巖表面進(jìn)行噴層作業(yè)，使得巷道表面破碎的圍巖被封閉于噴漿層下方，在此要注意噴漿時(shí)避免把注漿管口給堵塞；再次，施工注漿作業(yè)時(shí)，先采用較小的壓力對(duì)淺部注漿管進(jìn)行注漿，將淺部較為破碎的圍巖通過(guò)注漿膠結(jié)作用形成較為完整的結(jié)構(gòu)體，同時(shí)起到對(duì)中部注漿的封閉層效果；最后采用較大的壓力對(duì)中部注漿管進(jìn)行作業(yè)，將中部較為完整圍巖中的裂隙注入漿液，使中部圍巖完整性進(jìn)一步提高。

圖3 圍巖分層注漿加固技術(shù)

通過(guò)分層注漿加固技術(shù)，使得煤層巷道中淺部較為破碎的圍巖結(jié)構(gòu)整體性得到進(jìn)一步提升，提高其對(duì)回采動(dòng)壓擾動(dòng)的抵抗效果。注漿加固圍巖對(duì)巷道防范回采強(qiáng)動(dòng)壓影響的力學(xué)模型如圖4 所示。

圖4 注漿加固巷道圍巖防范回采強(qiáng)動(dòng)壓影響力學(xué)模型

由圖4 可知，當(dāng)N2105 工作面回采造成劇烈采動(dòng)擾動(dòng)時(shí)，其以動(dòng)載應(yīng)力波的形式向巷道自由空間內(nèi)傳播，但由于巷道中淺部圍巖注漿后圍巖整體結(jié)構(gòu)性增加，會(huì)與深部的圍巖之間形成一強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)面，因此動(dòng)載應(yīng)力波在傳播至強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)面時(shí)會(huì)發(fā)生反射和透射情況，使得原本的KMN 應(yīng)力曲線轉(zhuǎn)變?yōu)镾TH 應(yīng)力曲線，其中FC 應(yīng)力曲線被發(fā)射回去。這一動(dòng)載傳播過(guò)程中，應(yīng)力降明顯，對(duì)巷道圍巖的擾動(dòng)效應(yīng)大幅度降低，因而對(duì)巷道圍巖的破壞作用減弱。再者巷道圍巖注漿后整體結(jié)構(gòu)性增加，不易發(fā)生失穩(wěn)變形破壞而阻礙礦井的安全生產(chǎn)。

3 水力壓裂頂板技術(shù)

N2105 工作面回采期間，其上方堅(jiān)硬頂板將會(huì)在工作面前方形成應(yīng)力集中系數(shù)較高的超前支承應(yīng)力，采動(dòng)形成的超前支承應(yīng)力也會(huì)對(duì)煤層大巷圍巖造成嚴(yán)重的影響，因此有必要針對(duì)超前支承應(yīng)力提前進(jìn)行干預(yù)措施，減小其對(duì)煤層大巷的影響作用。工作面回采超前支承應(yīng)力對(duì)前方煤層大巷的影響情況如圖5 所示。

圖5 N2105 回采工作面超前支承應(yīng)力分布

由圖5 可知，當(dāng)N2105 工作面回采推進(jìn)至靠近停采線位置時(shí)，為了防止其上方堅(jiān)硬頂板形成的超前支承應(yīng)力對(duì)煤層大巷的影響，可以采用水力壓裂頂板的方法對(duì)頂板進(jìn)行致裂，進(jìn)而減小因堅(jiān)硬頂板懸頂長(zhǎng)度過(guò)大而在煤體前方引起過(guò)大的超前支承應(yīng)力。水力壓裂頂板的流程示意圖如圖6 所示。

圖6 水力壓裂頂板流程示意圖

由圖6（a）可知，首先采用鉆機(jī)向煤層上方頂板施工仰角鉆孔，并利用切槽鉆頭在頂板中需要致裂的位置處施工橫向切槽，為后續(xù)的致裂提供基礎(chǔ)條件；由圖6（b）可知，采用封隔器對(duì)施工橫向切槽位置前后進(jìn)行封堵，形成一密閉封隔段；由圖6（c）可知，通過(guò)高壓泵將高壓水注入到封隔段中，在較高的水壓作用下，橫向切槽將會(huì)沿著槽縫方向延伸擴(kuò)展，進(jìn)而在堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層內(nèi)形成一范圍較大的致裂結(jié)構(gòu)弱面，實(shí)現(xiàn)對(duì)堅(jiān)硬頂板的致裂切割效應(yīng)。

4 結(jié)論

（1）圍巖分層注漿加固的方法能夠?qū)⑾锏乐袦\部破碎煤巖體膠結(jié)成整體性較強(qiáng)的完整結(jié)構(gòu)體，且能夠在圍巖中形成一強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)面，起到很好的防范效果。

（2）對(duì)煤層上方堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層進(jìn)行預(yù)先水力壓裂，能夠防止堅(jiān)硬頂板因懸頂長(zhǎng)度過(guò)大而在回采工作面前方形成較高的應(yīng)力集中，進(jìn)而保護(hù)了煤層大巷在較高的集中靜載荷作用下的圍巖失穩(wěn)破壞。

（3）采用圍巖分層注漿加固技術(shù)和水力壓裂堅(jiān)硬穩(wěn)定頂板技術(shù)相結(jié)合的形式，能夠有效地對(duì)煤層大巷圍巖的穩(wěn)定性起到防治效果，保障煤層大巷為礦井安全生產(chǎn)服務(wù)的作用。