相鄰工作面采動(dòng)影響下切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)研究

郭少波

（陜西陜煤榆北煤業(yè)曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

相鄰工作面采動(dòng)應(yīng)力是影響巷道穩(wěn)定性重要因素之一。提前掘進(jìn)巷道受其采動(dòng)影響，產(chǎn)生應(yīng)力擾動(dòng)，發(fā)生變形，解決其變形破壞問題關(guān)鍵在于解決相鄰工作面采動(dòng)影響。以曹家灘煤礦122108 工作面回風(fēng)順槽為研究對(duì)象，研究122106 工作面采動(dòng)影響巷道失穩(wěn)機(jī)理，設(shè)計(jì)解決方案控制巷道變形[1-5]。

1 工程背景

（1）工程概況

122108 工作面回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn)，巷道總長5910 m，凈寬5600 mm，凈高4350 mm，斷面面積為24.36 m2。直接頂平均厚7.02 m，基本頂平均厚20.46 m，采用錨網(wǎng)索、W 型鋼帶和W 型鋼護(hù)板聯(lián)合支護(hù)。煤層頂?shù)装鍡l件見表1。

表1 122108 工作面煤層頂?shù)装迩闆r表

（2）工程問題

受122106 工作面回采影響，其外回風(fēng)順槽已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形，無法再次服務(wù)于122108 工作面的回采。且122108 工作面回風(fēng)順槽靠近122106 工作面采空區(qū)一側(cè)，與其外回風(fēng)順槽相鄰，受其回采影響，巷幫發(fā)生變形，底鼓明顯，巷道底板已經(jīng)出現(xiàn)開裂、混凝土翹起等變形現(xiàn)象，嚴(yán)重影響正常運(yùn)輸與行人，若不及時(shí)維護(hù)治理，則會(huì)影響122108工作面接替生產(chǎn)。

2 巷道變形失穩(wěn)原因

由于曹家灘2-2 煤層頂板厚，強(qiáng)度較高，作為上覆巖層中承載支承應(yīng)力σ 的主要巖層，易擴(kuò)大應(yīng)力的影響范圍，使巷道圍巖支承壓力σ 升高。因此隨著122106工作面向前推進(jìn)，基本頂斷裂下沉，使上覆巖層應(yīng)力向四周轉(zhuǎn)移，伴隨巖層破斷產(chǎn)生的采動(dòng)應(yīng)力對(duì)122108 工作面前方巷道產(chǎn)生應(yīng)力擾動(dòng)。

隨著122106 工作面推進(jìn)，上覆巖層發(fā)生運(yùn)動(dòng)，造成應(yīng)力重新分布，由頂板巖層向122108 工作面?zhèn)鬟f，導(dǎo)致其回風(fēng)順槽圍巖處于高應(yīng)力環(huán)境。由于巷道兩幫支護(hù)強(qiáng)度高，無法及時(shí)釋放圍巖應(yīng)力，因此應(yīng)力隨兩幫傳遞至巷道底板，通過底鼓的形式釋放。靠近122108 工作面邊緣處支承應(yīng)力較小，工作面前方部分范圍內(nèi)支承應(yīng)力σ 升高，達(dá)到峰值后迅速減小，趨于原巖應(yīng)力P。卸壓前巖層支承應(yīng)力分布如圖1。

圖1 卸壓前巖層支承應(yīng)力分布

綜上所述，122108 工作面回風(fēng)順槽失穩(wěn)變形的主要原因是受122106 工作面采動(dòng)影響。目前巷道已經(jīng)出現(xiàn)底鼓、底板開裂等變形現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工作面正?；夭伞?/p>

3 巷道維護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 切頂卸壓聯(lián)合NPR 錨索補(bǔ)強(qiáng)方案

通過分析122108 工作面回風(fēng)順槽變形失穩(wěn)原因可知，122106 工作面采動(dòng)應(yīng)力主要通過頂板傳遞，巷道幫部支護(hù)強(qiáng)度高，圍巖應(yīng)力無法及時(shí)釋放、傳遞至底板，出現(xiàn)巷道底鼓、變形失穩(wěn)。阻止122106工作面采動(dòng)應(yīng)力的傳遞則是解決此問題的關(guān)鍵所在，因此提出采用預(yù)裂切縫爆破卸壓技術(shù)。

預(yù)裂切縫爆破卸壓技術(shù)，通過預(yù)裂切縫爆破破壞巖層完整性，阻斷122106 工作面上覆巖層應(yīng)力傳遞，使工作面回采之后基本頂可以沿切縫位置及時(shí)垮落，減小基本頂懸臂長度，避免大面積頂板垮落急劇增壓，影響122108 工作面回風(fēng)順槽穩(wěn)定性和巖層地應(yīng)力重新分布，切頂處應(yīng)力降低，切頂前方一段范圍處于應(yīng)力集中區(qū)，遠(yuǎn)端應(yīng)力趨于原巖應(yīng)力。卸壓后巖層支承應(yīng)力分布如圖2。

圖2 卸壓后巖層支承應(yīng)力分布

由于122108 工作面回風(fēng)順槽圍巖在切頂前處于高應(yīng)力環(huán)境，切縫爆破產(chǎn)生的沖擊波與應(yīng)力波強(qiáng)度超過頂板抗拉強(qiáng)度，作用在頂板上，易使巷道圍巖失穩(wěn)，若不加以維護(hù)加固，可能進(jìn)一步導(dǎo)致巷道變形。

采用NPR 恒阻錨索進(jìn)行巷道補(bǔ)強(qiáng)加固，則可以避免由切縫爆破導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn)，控制巷道頂板下沉。

3.2 切頂參數(shù)設(shè)計(jì)

不同的預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)，對(duì)巖層間應(yīng)力傳遞的阻隔作用也不同，既需要達(dá)到阻隔122106 工作面采動(dòng)應(yīng)力傳遞的效果，同時(shí)需要兼顧現(xiàn)場施工條件。因此，切頂卸壓方案應(yīng)用是否能達(dá)到預(yù)期效果，關(guān)鍵在于切頂參數(shù)選取是否合理。

基本頂未貫穿面拉應(yīng)力與切頂高度、切頂角度之間的關(guān)系如式（1）：

式中：σ為基本頂未貫穿面拉應(yīng)力，MPa；h為切頂高度，32 m；α 為切頂角度，60°。

綜合經(jīng)濟(jì)效益、施工效果考慮，切頂高度25 m，角度60°，即可達(dá)到切頂?shù)哪康?，此參?shù)下定向切縫孔深為29 m。但是考慮到現(xiàn)場施工誤差，為保證達(dá)到預(yù)計(jì)切頂效果，設(shè)計(jì)定向切縫孔深32 m，切頂角度60°，垂高28 m，計(jì)算得到基本頂未貫穿面拉應(yīng)力為42.1 MPa；再輔助以加強(qiáng)爆破孔深33 m，垂高25 m，角度50°增強(qiáng)切頂效果。曹家灘煤礦2-2號(hào)煤層基本頂主要由中粒砂巖組成，其抗拉強(qiáng)度均不超過10 MPa，切頂參數(shù)合理。

3.3 NPR 錨索補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

為保證工作面巷道穩(wěn)定性，在巷道進(jìn)行切頂前采用NPR 恒阻錨索進(jìn)行加固，根據(jù)122108 工作面情況，選用NPR 恒阻錨索，長度9000 mm，直徑為21.6 mm，沿鉛垂方向布置?；仫L(fēng)順槽NPR 錨索補(bǔ)強(qiáng)示意圖如圖3。

圖3 回風(fēng)順槽NPR 錨索補(bǔ)強(qiáng)示意圖

3.4 臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

切縫爆破破壞了122108 工作面回風(fēng)順槽頂板巖層的完整性，為了防止爆破影響巷道頂板穩(wěn)定性，導(dǎo)致頂板下沉量增大，選擇采用單體液壓支柱架設(shè)臨時(shí)支護(hù)。在爆破區(qū)域前后50 m 范圍內(nèi)，位于切縫側(cè)布置一列排距1 m 單體液壓支柱進(jìn)行支護(hù)，距離巷幫1000 mm；在爆破區(qū)域前后10 m 范圍內(nèi)，布置第二列加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)。

4 工程應(yīng)用效果

選取122108 工作面回風(fēng)順槽3500～3900 m 作為試驗(yàn)段進(jìn)行預(yù)裂切縫爆破，采用地質(zhì)雷達(dá)勘探發(fā)現(xiàn)，爆破區(qū)域內(nèi)頂板沿著預(yù)裂方向裂隙發(fā)育良好，切縫貫通距離為1.2 m。爆破后，通過PU 監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)回風(fēng)順槽超前支護(hù)液壓支架支承應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，利用所得數(shù)據(jù)繪制回風(fēng)超前支架應(yīng)力曲線圖，如圖4。

圖4 回風(fēng)超前支架應(yīng)力曲線

由圖4 可知，未爆破時(shí)，超前支架平均應(yīng)力為27.1 MPa，峰值達(dá)到40 MPa；第一次爆破后，降至36.1 MPa，平均應(yīng)力為26.6 MPa；進(jìn)入爆破試驗(yàn)段，降至32.9 MPa；進(jìn)入試驗(yàn)段之后降為28.9 MPa，超前支承應(yīng)力顯著降低。

如圖5 所示，在試驗(yàn)段采用切頂卸壓聯(lián)合NPR恒阻錨索支護(hù)方案后，通過PU 監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測巷道圍巖位移，巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?35 mm 左右，兩幫移近量最大為80 mm 左右，巷道變形得到有效控制。

圖5 切頂卸壓后巷道圍巖移近量

122108 工作面回風(fēng)順槽試驗(yàn)段進(jìn)行切頂卸壓后，巷道超前支架支承應(yīng)力明顯減小，阻隔122106工作面采動(dòng)應(yīng)力傳遞，使巷道切頂范圍內(nèi)處于卸壓狀態(tài)，解決了巷道兩幫應(yīng)力無法釋放的問題，有效提高巷道穩(wěn)定性，抑制了巷道圍巖變形，減少巷道變形帶來的財(cái)產(chǎn)損失。

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)曹家灘煤礦122108 工作面回風(fēng)順槽變形破壞機(jī)理進(jìn)行分析，揭示了巷道易失穩(wěn)變形的主要原因是受相鄰工作面采動(dòng)應(yīng)力影響，為護(hù)巷方案設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

（2）結(jié)合工作面實(shí)際情況提出采用切頂卸壓方案，同時(shí)使用NPR 恒阻錨索進(jìn)行加固。

（3）設(shè)計(jì)的方案控制巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?0 mm，兩幫移近量最大為60 mm，巷道變形得到有效控制。