干河礦動(dòng)壓巷道圍巖變形控制技術(shù)研究

王 俊 張延剛

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 洪洞 031400）

隨著采煤設(shè)備及技術(shù)水平的不斷革新，工作面推進(jìn)速度較快，而受地質(zhì)條件等因素影響，掘進(jìn)速度提升不明顯，礦井面臨采掘接替緊張問(wèn)題。為保證礦井產(chǎn)能，存在工作面回采過(guò)程中或剛收作即掘進(jìn)鄰近工作面巷道的現(xiàn)象，由于覆巖結(jié)構(gòu)未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，該類動(dòng)壓巷道所處應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，圍巖變形顯著，支護(hù)難度大，對(duì)巷道的正常服務(wù)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。針對(duì)動(dòng)壓巷道圍巖控制難題，專家學(xué)者通過(guò)研究提出了卸壓技術(shù)與支護(hù)技術(shù)，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果[1-4]。

為解決干河礦2-118C1巷上方頂板不垮落的問(wèn)題，控制動(dòng)壓巷道圍巖變形，針對(duì)2-118C工作面開(kāi)采參數(shù)，提出了水力壓裂卸壓技術(shù)，并優(yōu)化了原支護(hù)參數(shù)。

1 工程背景

2-118C工作面位于+80 m水平一采區(qū)右翼，北側(cè)為2-112工作面，南側(cè)為2-118B工作面，西側(cè)為未開(kāi)采實(shí)體煤，東側(cè)為一采區(qū)右翼皮帶巷。工作面埋深540～680 m，平均埋深590 m，工作面寬度為132 m，開(kāi)采2#煤層，煤層平均厚度為3.72 m，平均傾角5°。工作面沿煤層走向布置有兩條回采巷道，2-118C1巷長(zhǎng)度為1576 m，2-118C2巷長(zhǎng)度為1776 m。2-118D1巷長(zhǎng)度為706 m，2-118C1巷與2-118D1巷間存在寬22 m的煤柱。工作面布置情況如圖1。

圖1 工作面布置示意圖

由于2-118C1巷上方頂板較為堅(jiān)硬，工作面推過(guò)后難以自然垮落，頂板懸露產(chǎn)生的集中應(yīng)力傳遞至2-118C1巷與2-118D1巷間煤柱，加之2-118C工作面超前采動(dòng)應(yīng)力疊加影響，造成2-118D1巷頂板下沉、煤幫鼓出，影響巷道的正常使用，需提出控制技術(shù)解決動(dòng)壓巷道圍巖大變形問(wèn)題。

2 水力壓裂卸壓技術(shù)

為解決堅(jiān)硬頂板懸露問(wèn)題，使得頂板能夠及時(shí)垮落，科研人員研究應(yīng)用了水力壓裂技術(shù)，并取得了良好的實(shí)踐效果。水壓致裂技術(shù)本質(zhì)上是通過(guò)高強(qiáng)水壓作用弱化巖體力學(xué)性能的技術(shù)。水力壓裂技術(shù)同爆破預(yù)裂技術(shù)相比有許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)：首先該技術(shù)的實(shí)施不會(huì)妨礙工作面的正常生產(chǎn)，便于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效；其次該技術(shù)危險(xiǎn)性較小，操作較為安全，也能實(shí)現(xiàn)較好的頂板弱化效果。

（1）水力壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

基于2-118C工作面地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)水力壓裂鉆孔參數(shù)。水力壓裂鉆孔布置在工作面前方巷道內(nèi)，鉆孔布置情況如圖2。

圖2 水力壓裂鉆孔布置參數(shù)

壓裂鉆孔布置于2-118C1巷頂板，同巷道軸向夾角為5°，于巷道肩窩處開(kāi)孔，鉆孔長(zhǎng)度50 m，孔間距10 m，傾角30°。試驗(yàn)段巷道長(zhǎng)度為360 m，共計(jì)施工36個(gè)鉆孔。壓裂壓力為15～29 MPa。

在試驗(yàn)過(guò)程中，可根據(jù)鉆孔出水情況及壓裂效果，對(duì)壓裂參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，避免因頂板大量淋水影響生產(chǎn)，同時(shí)保證頂板及時(shí)垮落。

（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

在2-118C工作面推進(jìn)過(guò)程中，在2-118C1巷巷道內(nèi)進(jìn)行了水力壓裂技術(shù)。通過(guò)水力壓裂措施對(duì)巷道頂板進(jìn)行弱化卸壓，以保證工作面推過(guò)后巷道頂板能及時(shí)垮落，緩解因巷道頂板懸露造成的側(cè)向支承壓力集中和煤壁變形破壞。為驗(yàn)證巷道頂板巖層裂化效果，通過(guò)鉆孔窺視探測(cè)水力壓裂前后頂板圍巖情況。

探測(cè)結(jié)果顯示，采取水力壓裂前孔壁結(jié)構(gòu)較為完整，水力壓裂后孔內(nèi)巖壁出現(xiàn)大量縱橫交錯(cuò)的裂紋，如圖4所示?？傻贸鐾ㄟ^(guò)實(shí)施水力壓裂，巷道頂板的力學(xué)性能被弱化，保證了鄰近巷道的圍巖穩(wěn)定。

圖3 水壓致裂前后鉆孔巖層破壞情況

3 支護(hù)優(yōu)化方案

（1）原支護(hù)存在問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)巷道支護(hù)效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)原巷道支護(hù)存在以下問(wèn)題：

① 錨索長(zhǎng)度不足。原支護(hù)巷道頂板使用規(guī)格為Φ17.8 mm×4500 mm錨索，難以將錨索錨固在穩(wěn)定巖層內(nèi)；② 支護(hù)強(qiáng)度不足。直徑17.8 mm設(shè)計(jì)承載能力較小，難以承受動(dòng)壓巷道集中應(yīng)力作用；③ 支護(hù)密度不足。原支護(hù)錨索間排距規(guī)格為2000 mm×2000 mm，錨桿間排距1000 mm×1000 mm。支護(hù)密度過(guò)低，對(duì)巷道圍巖的支護(hù)阻力較小，難以控制巷道圍巖變形。在2-118C1巷頂板懸露影響下，2-118D1巷頂板兩幫變形顯著，巷道多處出現(xiàn)支護(hù)失效。

根據(jù)高預(yù)緊力強(qiáng)力支護(hù)理論，針對(duì)動(dòng)壓巷道圍巖變形破壞特點(diǎn)，提出通過(guò)采用W鋼護(hù)板提高護(hù)表面積，改善錨桿索預(yù)應(yīng)力傳遞效果；同時(shí)通過(guò)提升錨桿索的預(yù)緊力，改善圍巖應(yīng)力環(huán)境，使圍巖由二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為三向受力狀態(tài)，提升圍巖承載能力；根據(jù)原支護(hù)圍巖控制效果，提出增加錨索長(zhǎng)度及錨桿索支護(hù)密度，從而加強(qiáng)支護(hù)-圍巖系統(tǒng)整體性和抗擾動(dòng)能力。

（2）支護(hù)優(yōu)化參數(shù)

① 頂板支護(hù)。選用型號(hào)為Φ22 mm×2500 mm的錨桿，間排距均為800 mm， 配合為W鋼帶和菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂。選用Φ21.8 mm×6300 mm的錨索，間排距1300 mm×1600 mm。要求錨索的預(yù)緊力不小于250 kN，錨桿、錨索均垂直頂板布置。

② 幫部支護(hù)。選用Φ22 mm×2500 mm的螺紋鋼錨桿，間排距均為800 mm，垂直巷幫布置，配合W鋼護(hù)板和菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫。

（3）圍巖控制效果

為評(píng)價(jià)水力壓裂卸壓效果及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)合理性，在2-118D1巷掘進(jìn)工作面布置了巷道表面位移觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)巷道的頂板下沉量、兩幫移近量和底鼓量。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理如圖4。

圖4 巷道圍巖變形情況

① 隨著距掘進(jìn)工作面距離的增加，巷道變形逐漸穩(wěn)定，頂板下沉量距掘進(jìn)面45 m時(shí)保持穩(wěn)定，底鼓量在距30 m處保持穩(wěn)定，兩幫移近量在距掘進(jìn)工作面60 m處保持穩(wěn)定。待巷道變形穩(wěn)定后，頂板下沉量為21 mm，兩幫移近量為74 mm，底鼓量為25 mm。

② 從圖4中可以看出，兩幫變形量明顯大于頂?shù)装遄冃瘟浚@是因?yàn)閮蓭兔后w強(qiáng)度較低，盡管加強(qiáng)了幫部支護(hù)強(qiáng)度，但在圍巖-支護(hù)系統(tǒng)中仍屬薄弱環(huán)節(jié)。

③ 根據(jù)圖4中巷道圍巖變形數(shù)據(jù)，得出采用水力壓裂和對(duì)原支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，動(dòng)壓巷道的變形量較小，圍巖變形量相比降低85%以上，表明巷道圍巖變形控制效果良好。

4 結(jié)論

（1）為解決干河礦動(dòng)壓巷道變形顯著問(wèn)題，針對(duì)干河礦2-118C工作面開(kāi)采條件，提出水力壓裂卸壓技術(shù)并對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

（2）采取水力壓裂卸壓技術(shù)后，巷道上方頂板能夠充分及時(shí)垮落，避免了因頂板懸露引起的側(cè)向應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（3）在卸壓的基礎(chǔ)上優(yōu)化了支護(hù)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示動(dòng)壓巷道圍巖變形量較小，表明提出的圍巖變形控制技術(shù)較為合理。