正利礦14-1106采面預(yù)卸壓必要性分析與卸壓工藝研究

劉引軍

（山西焦煤集團(tuán)投資有限公司，山西 太原000022）

0 引言

我國(guó)無煤柱護(hù)巷大都采用沿空掘巷。該掘巷法是在上區(qū)段回采引起應(yīng)力重新分布并趨于穩(wěn)定后掘進(jìn)，此時(shí)巷道為應(yīng)力降低區(qū)，采用小寬度煤柱和一定支護(hù)技術(shù)即可保證巷道掘進(jìn)、掘出后變形較小。

根據(jù)正利礦采掘銜接計(jì)劃：當(dāng)前14-1106工作面回采結(jié)束后，將沿著采空區(qū)邊緣掘進(jìn)14-1105工作面上巷，實(shí)施小煤柱沿空掘巷，巷道凈寬4.6 m，凈高3.2 m，凈斷面=14.72 m2，工作面布局。14-1106采空區(qū)頂板變形將對(duì)沿空掘巷產(chǎn)生擾動(dòng)。

1 覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)沿空掘巷的擾動(dòng)

1.1 沿空掘巷的時(shí)效特征

沿空掘巷的維護(hù)難度與其所處巖層運(yùn)動(dòng)形成的結(jié)構(gòu)環(huán)境緊密相關(guān)。根據(jù)采掘時(shí)間關(guān)系，覆巖運(yùn)動(dòng)將分為三個(gè)關(guān)鍵階段，不同階段巖層運(yùn)動(dòng)及其對(duì)沿空掘巷的影響（或潛在影響）亦各不相同，即具有不同的時(shí)效特征。

1）14-1106回采期間以側(cè)向擾動(dòng)為主，沿空掘巷的支護(hù)難度取決于采空區(qū)側(cè)向頂板的斷裂結(jié)構(gòu)。隨工作面推進(jìn)，老頂?shù)汝P(guān)鍵巖層將先后出現(xiàn)“OX”及“半OX”斷裂，側(cè)向斷裂點(diǎn)距煤壁0～8 m，處于沿空掘巷或護(hù)巷煤柱的上方。

2）沿空掘巷期間以應(yīng)力波動(dòng)為主，巷道開掘?qū)鷰r產(chǎn)生二次擾動(dòng)。掘進(jìn)應(yīng)選擇合適的時(shí)機(jī)，待采空區(qū)頂板穩(wěn)定后再掘進(jìn)。掘巷期間要保持合理的掘進(jìn)速度，控制卸載自由面形成的速度，將二次擾動(dòng)程度降至最小。

3）14-1105回采期間以超前擾動(dòng)為主。工作面回采期間，采空區(qū)之間的護(hù)巷小煤柱逐漸被壓垮，相鄰兩采空區(qū)導(dǎo)通，覆巖運(yùn)動(dòng)范圍增大。此時(shí)頂板的斷裂將對(duì)工作面前方巷道造成巨大擾動(dòng)。

1.2 頂板運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵區(qū)確定

1.2.1 老頂側(cè)向斷裂位置

老頂在采空區(qū)側(cè)向的斷裂位置決定了后期沿空掘巷的結(jié)構(gòu)環(huán)境。老頂是煤層上方第一個(gè)關(guān)鍵層，斷裂后會(huì)引導(dǎo)高層位巖層沿垮落角方向斷裂，進(jìn)而形成覆巖動(dòng)結(jié)構(gòu)。老頂斷裂點(diǎn)總處于塑性區(qū)內(nèi)，一般距煤幫0～8 m。

隨老頂抗拉強(qiáng)度、載荷系數(shù)及厚度的增加，老頂斷裂位置逐漸深入煤體。而隨著老頂所受煤體反力（即煤體單向抗壓強(qiáng)度）及支護(hù)阻力的增加，斷裂位置逐漸靠近煤壁。周期來壓階段，老頂斷裂位置除受上述影響外，還受到塊體間咬合狀態(tài)的影響。塊體間咬合力越大，老頂?shù)膩韷翰骄嘣叫。鴶嗔盐恢脛t更深入煤體。老頂之上的其余頂板，將沿著一定的垮落角斷裂下沉，其位置逐漸靠近采空區(qū)。

1.2.2 垮落帶高度

垮落帶巖層是第一階段礦壓的主體，其高度Hk按下式計(jì)算：

式中：K1為垮落帶巖體的碎脹系數(shù)，取1.3。

此外，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》提供了如下的計(jì)算方法：

計(jì)算結(jié)果，平均垮落帶高度為19.44～20.65 m。實(shí)際執(zhí)行時(shí)，需依據(jù)垮落帶頂部巖層賦存情況做調(diào)整。

1.2.3 導(dǎo)水裂隙帶高度

垮落帶上方的一部分巖層運(yùn)動(dòng)將對(duì)側(cè)向巖體造成較大擾動(dòng)，確定這些有擾動(dòng)巖層的高度，應(yīng)以豎向貫通斷裂為判斷依據(jù)。采用導(dǎo)水裂隙帶的計(jì)算方式確定豎向貫通裂隙發(fā)育高度。

導(dǎo)水裂隙帶中的非垮落帶部分是第二階段礦壓的主體，其高度Hd可按如下公式計(jì)算：

式中：K2為裂隙帶巖體的殘余碎脹系數(shù)，取1.1。

此外，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》提供了如下2種計(jì)算方法：

計(jì)算結(jié)果，平均導(dǎo)水裂隙帶高度為58.32～82.45 m。由于關(guān)鍵層對(duì)其上位部分巖層運(yùn)動(dòng)起到主導(dǎo)作用，若導(dǎo)水裂隙貫通關(guān)鍵層，則其上部受控巖層全部進(jìn)入導(dǎo)水裂隙帶。因此，實(shí)際執(zhí)行時(shí)需依據(jù)導(dǎo)水裂隙帶頂部巖層賦存情況做調(diào)整。

1.3 14-1106回采對(duì)沿空掘巷的擾動(dòng)

1.3.1 頂板的斷裂擾動(dòng)

14-1106工作面開采期間，頂板斷裂運(yùn)動(dòng)將對(duì)采空區(qū)周邊巖體造成極大擾動(dòng)。擾動(dòng)的方式主要是應(yīng)力轉(zhuǎn)移和應(yīng)力波動(dòng)，變形破壞則是其外在表現(xiàn)。工作面推進(jìn)期間老頂先后出現(xiàn)“OX”及“半OX”斷裂，由此在側(cè)向形成的3種典型斷裂形態(tài)。

老頂側(cè)向斷裂后形成的關(guān)鍵塊體B的位態(tài)對(duì)小煤柱沿空掘巷影響極大。根據(jù)“給定變形”特征，塊體B的斷裂基點(diǎn)距離煤壁越遠(yuǎn)則對(duì)下位煤巖體的破壞越大。因此：

1）在圖1a形態(tài)下，斷裂基點(diǎn)處于巷道上方，沿空掘巷的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境最為惡劣。斷裂基點(diǎn)也是塊體的承壓點(diǎn)，有一定程度應(yīng)力集中，掘巷后應(yīng)力必然轉(zhuǎn)移均化，致使巖體變形。由于斷裂是掘巷前形成的，將來頂板支護(hù)時(shí)，亦有可能錨固至斷裂破碎區(qū)，導(dǎo)致錨固端不穩(wěn)定，錨固效率下降。此外，斷裂塊體B將對(duì)側(cè)向煤體產(chǎn)生水平推力，在未掘巷時(shí)有助于煤體穩(wěn)定，而掘巷后將會(huì)導(dǎo)致巷道側(cè)幫大變形。

2）在圖1b形態(tài)下，斷裂基點(diǎn)位于煤柱上方，同樣造成局部應(yīng)力集中和水平推力，從而不利于沿空巷道圍巖穩(wěn)定性維護(hù)。

3）在圖1c形態(tài)下，盡管也會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中和水平推力，但由于斷裂點(diǎn)位處采空區(qū)邊緣，側(cè)向巖體橫向變形空間充分，已將這種不利影響降至最低。

圖1 側(cè)向頂板的3種典型斷裂形態(tài)

除老頂之外，再將巖層運(yùn)動(dòng)的視野擴(kuò)展至導(dǎo)水裂隙帶高度范圍，則多個(gè)關(guān)鍵層先后斷裂的疊壓擾動(dòng)，還將對(duì)側(cè)向煤巖體造成疊加影響。隨著層位的升高，關(guān)鍵層斷裂范圍逐漸向采空區(qū)收縮，沿著垮落角向上擴(kuò)展（見圖2a）。關(guān)鍵層斷裂擾動(dòng)以“應(yīng)力波”的形式向四周傳播（見圖2b），傳播路徑的通暢性決定了傳播效率和傳播范圍（見圖2c）。在應(yīng)力波傳播期間：采空區(qū)邊緣巖體蓄能下降、深部巖體蓄能上升，高位巖層的斷裂擾動(dòng)范圍明顯大于低位巖層。因此，如不能干預(yù)低位老頂?shù)臄嗔盐粦B(tài)，則會(huì)導(dǎo)致側(cè)向煤巖體強(qiáng)度嚴(yán)重弱化，不利于成巷后承載。

圖2 多位巖層的疊加擾動(dòng)

1.3.2 側(cè)向煤體的破壞深度

覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)采空區(qū)側(cè)向巖體擾動(dòng)的集中表現(xiàn)是形成側(cè)向支承壓力并導(dǎo)致側(cè)向煤巖體破壞。其中，側(cè)向煤巖體破壞深度對(duì)后期沿空掘巷影響大。

由于工作面頂板賦存多個(gè)厚硬關(guān)鍵層，覆巖運(yùn)動(dòng)的大趨勢(shì)不可抗拒。由此可見，自然垮落狀態(tài)下頂板運(yùn)動(dòng)對(duì)側(cè)向煤體的破壞是嚴(yán)重的：①大幅減少了有效煤柱寬度；②導(dǎo)致沿空掘巷兩幫非對(duì)稱承載，造成結(jié)構(gòu)失衡，留下失穩(wěn)隱患；③幫錨進(jìn)入破碎區(qū)，形成無效、低效錨固；④煤柱進(jìn)一步壓扁之后，頂板隨之進(jìn)一步下沉，引發(fā)惡性循環(huán)。

1.3.3 頂板運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵擾動(dòng)時(shí)期

如上所述，導(dǎo)水裂隙帶高度范圍內(nèi)關(guān)鍵層斷裂造成周期性破斷下沉，形成擾動(dòng)。高低位巖層斷裂形成大小周期來壓。這些擾動(dòng)對(duì)采空區(qū)周邊煤巖體的影響已在上文闡明。

除此以外，更大范圍的厚硬關(guān)鍵層具有“見方易垮”的特征，即工作面推進(jìn)至采空區(qū)近似為正方形時(shí)，某一厚硬關(guān)鍵層容易發(fā)生斷裂垮落，造成更大范圍垮落沖擊。工作面各自開采期間的見方區(qū)域如圖3所示。厚硬關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)效應(yīng)更明顯，工程中發(fā)現(xiàn)二次見方乃至多次見方時(shí)，依然有類似強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。這也是需要重點(diǎn)關(guān)注的。因此，14-1106工作面回采至196 m及其整數(shù)倍附近時(shí)需提前做好強(qiáng)礦壓防控措施。

圖3 單工作面見方位置

1.3.4 沿空掘巷期間應(yīng)力波動(dòng)影響

14-1106工作面回采期間，采空區(qū)側(cè)向淺部煤體經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)應(yīng)力波動(dòng)，波動(dòng)應(yīng)力隨時(shí)間分布的形態(tài)。可見低值應(yīng)力區(qū)有其演化過程，并非在開采后立即形成。

同樣，沿空掘巷亦將對(duì)圍巖產(chǎn)生二次應(yīng)力擾動(dòng)，選擇合適的掘進(jìn)時(shí)機(jī)、設(shè)計(jì)科學(xué)的支護(hù)參數(shù)、保持合理的掘進(jìn)速度，可以將應(yīng)力擾動(dòng)程度降至最小。

1.3.5 14-1105回采對(duì)超前巷道的擾動(dòng)

14-1105回采期間，采空區(qū)頂板巖層斷裂運(yùn)動(dòng)對(duì)沿空掘巷不再產(chǎn)生直接影響（因該巷道隨采隨棄），但會(huì)因斷裂時(shí)的應(yīng)力波作用而對(duì)超前區(qū)域造成擾動(dòng)。由于兩側(cè)都是采空區(qū)，小煤柱承受上方T型區(qū)巖體載荷超過其承載極限時(shí)將被壓垮而失去支撐作用（見圖5），造成相鄰2個(gè)采空區(qū)導(dǎo)通，誘發(fā)更大范圍巖體隨動(dòng)而形成擾動(dòng)。重點(diǎn)關(guān)注采空區(qū)導(dǎo)通后大面積見方區(qū)域，301.4 m及其倍數(shù)。

1.3.6 14-1106回采期間超前卸壓必要性評(píng)估

綜合上述分析，工作面回采期間頂板運(yùn)動(dòng)對(duì)后期沿空掘巷的影響最大。主要體現(xiàn)在：

1）垮落帶巖層是第一階段礦壓的主體，導(dǎo)水裂隙帶中的非垮落帶部分是第二階段礦壓的主體。14-1106工作面上方分布有多個(gè)關(guān)鍵層。老頂斷裂位置決定了上覆其它巖層的斷裂走向。超前預(yù)裂后可以改變頂板的斷裂位態(tài)，使之朝向有利的趨勢(shì)發(fā)展。

2）不卸壓時(shí)，老頂斷裂基點(diǎn)會(huì)按一定頻次分布在沿空掘巷上方、煤柱上方、煤幫邊緣，除發(fā)生在煤幫邊緣時(shí)有利，另外2種情況將不利于沿空掘巷維護(hù)：斷裂基點(diǎn)處于巷道上方，沿空掘巷的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境最為惡劣。斷裂基點(diǎn)也是塊體的承壓點(diǎn)，有一定程度應(yīng)力集中，掘巷后應(yīng)力必然轉(zhuǎn)移均化，致使巖體變形。由于斷裂是掘巷前形成的，將來巷道頂板支護(hù)時(shí)，亦有可能錨固至斷裂破碎區(qū)，導(dǎo)致錨固端不穩(wěn)定，錨固效率下降。此外，斷裂塊體B將對(duì)側(cè)向煤體產(chǎn)生水平推力，在未掘巷時(shí)有助于煤體穩(wěn)定，而掘巷后將會(huì)導(dǎo)致巷道側(cè)幫大變形。斷裂基點(diǎn)位于煤柱上方，同樣造成局部應(yīng)力集中和水平推力，從而不利于沿空巷道圍巖穩(wěn)定性維護(hù)。

3）豎向裂隙帶高度范圍內(nèi)多個(gè)關(guān)鍵層先后斷裂的疊壓擾動(dòng)，還將對(duì)側(cè)向煤巖體造成疊加影響。隨著層位的升高，關(guān)鍵層斷裂范圍逐漸向采空區(qū)收縮，沿著垮落角向上擴(kuò)展。關(guān)鍵層斷裂擾動(dòng)以“應(yīng)力波”的形式向四周傳播。在應(yīng)力波傳播期間：采空區(qū)邊緣巖體蓄能下降、深部巖體蓄能上升，高位巖層的斷裂擾動(dòng)范圍明顯大于低位巖層。因此，如不能干預(yù)低位老頂?shù)臄嗔盐粦B(tài)，則會(huì)導(dǎo)致側(cè)向煤巖體強(qiáng)度嚴(yán)重弱化，不利于成巷后承載。

4）不卸壓時(shí)，頂板斷裂運(yùn)動(dòng)對(duì)側(cè)向煤體的破壞深度較大，對(duì)巷道安全性、穩(wěn)定性有極大影響。

5）由于14-1106工作面頂板賦存多個(gè)厚硬關(guān)鍵層，覆巖運(yùn)動(dòng)的大趨勢(shì)不可抗拒，自然垮落狀態(tài)下頂板運(yùn)動(dòng)對(duì)側(cè)向煤體的破壞是嚴(yán)重的：大幅減少了有效煤柱寬度；導(dǎo)致沿空掘巷兩幫非對(duì)稱承載，造成結(jié)構(gòu)失衡，留下失穩(wěn)隱患；幫錨進(jìn)入破碎區(qū)，形成無效、低效錨固；14-1105回采后，煤柱進(jìn)一步壓扁，頂板隨之進(jìn)一步下沉，對(duì)超前段巷道擾動(dòng)較大。

2 卸壓方案及參數(shù)設(shè)計(jì)

14-1106回采期間，超前工作面對(duì)靠近14-1105工作面的順槽（14-1106膠帶順槽）頂板實(shí)施縱向預(yù)裂卸壓，既能緩解本工作面礦壓，又能營(yíng)造利于沿空掘巷維護(hù)的頂板結(jié)構(gòu)。

2.1 技術(shù)方案

每10 m布置1個(gè)縱向切頂鉆孔，鉆孔布置方式。實(shí)施切頂卸壓的14-1106膠帶順槽，需要強(qiáng)化超前輔助支護(hù)。按步驟介紹相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：

1）超前工作面40 m完成鉆孔施工（可采用ZDY3200S型鉆機(jī)施工），鉆孔參數(shù)如下：①鉆孔直徑：75 mm；②鉆孔開孔位置：開孔位置均在頂板，距離巷道保險(xiǎn)幫不超過1 m開孔（0.5～1 m）；③鉆孔角度和長(zhǎng)度：角度為60°，長(zhǎng)度為30 m，參照表3執(zhí)行；④終孔高度：垂高25 m。

2）當(dāng)鉆孔的孔底距工作面5～10 m時(shí)，對(duì)鉆孔進(jìn)行裝藥，裝藥步驟包括把起爆藥、起爆藥、炸藥送入鉆孔，并用炮泥封孔，炸藥采用煤礦三級(jí)安全乳化炸藥。藥柱規(guī)格為Φ32 mm×200 mm。鉆孔采用煤礦許用8號(hào)毫秒延期電雷管。

3）裝藥、封孔完畢后，連接雷管到炸藥、封泥，最后連接爆破網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施起爆。

4）實(shí)施完上述步驟后，間隔10 m重復(fù)實(shí)施步驟（1）～步驟（3）。

2.2 施工方法

本試驗(yàn)巷道切頂施工在嚴(yán)格執(zhí)行煤礦安全規(guī)程等規(guī)定、山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司的相關(guān)規(guī)定的前提下進(jìn)行施工。

3 卸壓范圍的確定

在堅(jiān)硬頂板、薄層直接頂?shù)忍厥鈼l件下，為了給14-1105工作面沿空掘巷營(yíng)造良好的應(yīng)力環(huán)境，需要在14-1106工作面回采期間在（膠帶順槽）對(duì)采空區(qū)的側(cè)向頂板進(jìn)行預(yù)裂卸壓。

提出卸壓必要性因子作為頂板預(yù)裂卸壓的判別準(zhǔn)則，并結(jié)合49、DX-1、41及ZK-1等鉆孔反映的巖性柱狀信息，計(jì)算得出14-1106工作面開采期間需要開展頂板預(yù)裂卸壓的置信區(qū)間。

提出卸壓必要性因子，定義冒落后剛能夠填滿采空區(qū)的直接頂厚度為臨界厚度h'，則：

式中：m為煤層開采厚度，m；h為直接頂厚度，m；K為巖石碎漲系數(shù)，取1.35；h'為卸壓臨界直接頂厚度，m。

據(jù)上表，49號(hào)鉆孔和41號(hào)鉆孔所代表的區(qū)域卸壓必要性因子較高，需要提前切頂卸壓。由于49號(hào)鉆孔代表的區(qū)域已經(jīng)處于106采空區(qū)，無法進(jìn)行切頂卸壓，所以卸壓范圍確定為距離106工作面停采線308～923 m范圍（測(cè)點(diǎn)9-測(cè)點(diǎn)19）。

4 結(jié)論

1）以正利煤業(yè)沿空掘巷法開拓14-1105工作面上巷為工程背景，分析該巷道受14-1106回采、沿空掘巷期間、14-1105回采等不同時(shí)序覆巖擾動(dòng)影響的特征。

2）通過模型構(gòu)建、理論分析及應(yīng)力波檢測(cè)等方式論證了14-1106巷道回采期間超前卸壓的必要性。

3）進(jìn)行頂板預(yù)裂卸壓技術(shù)方案及參數(shù)設(shè)計(jì)；根據(jù)49、DX-1、41及ZK-1等鉆孔反映的巖性柱狀信息確定了欲裂卸壓范圍。