周逸群，吳建星，張光亮，李治國(guó)，任 碩，郝曉剛

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；4.山西沁新煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046011)

復(fù)雜困難巷道圍巖控制是當(dāng)前煤礦巷道圍巖控制領(lǐng)域的一大難題。傳統(tǒng)單一采用錨桿支護(hù)的方式難以滿足大埋深、強(qiáng)動(dòng)壓、松軟破碎圍巖的支護(hù)需求[1-3]。針對(duì)此問(wèn)題，以康紅普院士為代表的研究者們[4-7]提出了以“支護(hù)-改性-卸壓”為核心的三位一體、三主動(dòng)的復(fù)雜困難巷道圍巖控制新理念，取得了大量成果。此外許多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了大量研究，劉文靜等[8]通過(guò)水力壓裂卸壓的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)高應(yīng)力巷道應(yīng)力的轉(zhuǎn)移、降低。董合祥、賈川、李堯[9-11]對(duì)采動(dòng)工作面保護(hù)煤柱寬度進(jìn)行了研究，針對(duì)厚煤層、瓦斯抽放鉆孔影響破碎巷幫下的窄煤柱圍巖應(yīng)力規(guī)律進(jìn)行了探究，并提出了相應(yīng)的圍巖控制方法。劉乙霖等[12]對(duì)爆破切頂卸壓在馬道頭煤礦的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)研究，得出切頂卸壓使頂板巖層及時(shí)垮落對(duì)巷道圍巖控制的重要性。劉海東等[13]對(duì)破碎圍巖大變形的問(wèn)題，采用“超前注漿+噴漿+加長(zhǎng)錨索+滯后注漿”的圍巖加固技術(shù)，有效地控制了圍巖變形。郭永強(qiáng)[14]采用巷道基角爆破卸壓技術(shù)，較好控制了動(dòng)壓情況下的巷道底鼓現(xiàn)象。張?zhí)靃15]等通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了多次采動(dòng)影響巷道圍巖變形演化規(guī)律，對(duì)平行采動(dòng)影響巷道的變形研究提供了參考。陳立軍[16]探究了頂板預(yù)裂爆破施工工藝，通過(guò)設(shè)定方向產(chǎn)生聚能效應(yīng)，形成張拉型斷裂。趙慶沖等[17]針對(duì)潘二礦動(dòng)壓巷道失穩(wěn)情況，采用注漿錨索及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)相結(jié)合，判定了圍巖松動(dòng)圈厚度及加強(qiáng)支護(hù)的可行性。朱翔斌等[18]通過(guò)煤柱應(yīng)力實(shí)測(cè)，得出了動(dòng)壓影響下煤柱內(nèi)的受力規(guī)律，確定了小煤柱掘巷的合理寬度。王東攀[19]等通過(guò)水力壓裂方法，改造頂板結(jié)構(gòu)，充分改善留巷巷道的周邊應(yīng)力環(huán)境。實(shí)現(xiàn)了留巷巷道的圍巖控制。綜上大量學(xué)者的研究成果，復(fù)雜困難巷道的控制問(wèn)題必須要從“支護(hù)-改性-卸壓”多個(gè)角度進(jìn)行綜合控制。本文以沁新煤業(yè)2號(hào)煤層平行采動(dòng)大巷為工程背景，通過(guò)回采巷道卸壓、大巷異巷斷底與圍巖注漿重塑技術(shù)相結(jié)合，形成了平行采動(dòng)大巷“深卸-淺塑”圍巖綜合控制技術(shù)并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，取得良好效果。

1 工程概況

1.1 巷道布置

沁新煤業(yè)東翼運(yùn)輸大巷為2號(hào)煤層大巷，埋深410～475m，因采掘接替需要，須沿平行大巷方向布置2211回采工作面，同時(shí)提高資源采出率，確定了煤柱留設(shè)寬度為20m，其巷道布置如圖1所示。

圖1 南采區(qū)東翼運(yùn)輸大巷與2211工作面巷道布置

1.2 圍巖控制難點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試、支護(hù)及類似巷道調(diào)研情況，確定了該類巷道圍巖控制難點(diǎn)。

1)圍巖淺部強(qiáng)度低。圍巖強(qiáng)度測(cè)試如圖2所示。頂板4m范圍巖性為泥巖，平均強(qiáng)度36.48MPa，其中，1m范圍內(nèi)巖層強(qiáng)度平均僅為16MPa，易出現(xiàn)破碎墜包。根據(jù)前期已進(jìn)行15組窺視的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)大巷淺部圍巖破碎，裂隙發(fā)育較為嚴(yán)重。

圖2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

2)成巷時(shí)間久，原支護(hù)條件混亂。成巷時(shí)間超過(guò)了15a，屬老舊大巷。原支護(hù)技術(shù)水平較低，通過(guò)對(duì)0～875m范圍內(nèi)的多次詳細(xì)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，巷道經(jīng)后期多次補(bǔ)強(qiáng)后支護(hù)現(xiàn)狀較為混亂，變形情況參差不齊。

3)受平行采動(dòng)影響強(qiáng)烈。由于2211工作面回采方向平行于大巷布置方向，在2211工作面回采過(guò)程中，不可避免要對(duì)大巷產(chǎn)生強(qiáng)烈的平行采動(dòng)動(dòng)壓影響。而根據(jù)附近其他工作面的監(jiān)測(cè)情況，回采期間退錨不及時(shí)，隅角存在懸頂現(xiàn)象，超前壓力顯現(xiàn)明顯，底鼓嚴(yán)重。

4)巷道使用要求高。大巷東部2219工作面回采即將結(jié)束，將繼續(xù)回采2225工作面、布置2227工作面，后期利用東翼回風(fēng)和東翼運(yùn)輸巷布置回收煤柱工作面。且需在2211工作面回采及采空區(qū)動(dòng)壓影響后續(xù)3年時(shí)間內(nèi)保障上述多個(gè)工作面支架進(jìn)出及最后回收煤柱期間巷道超前段高度不低于1.8m。

根據(jù)類似條件情況，礦方以往只能采取反復(fù)擴(kuò)刷、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的方式，導(dǎo)致成本極高，且傳統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后仍難以滿足需求，巷道斷面大幅收縮，嚴(yán)重威脅礦井運(yùn)輸及行人安全，給礦井安全生產(chǎn)工作帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，此類巷道煤質(zhì)極優(yōu)，為抵抗動(dòng)壓影響，常常需留設(shè)較大的護(hù)巷煤柱，利用現(xiàn)有手段難以實(shí)現(xiàn)護(hù)巷煤柱寬度的降低和有效回收，浪費(fèi)了大量寶貴資源。

2 “深卸-淺塑”圍巖綜合控制技術(shù)

2.1 “深卸-淺塑”圍巖綜合控制機(jī)理

由于巷道受到臨近工作面回采擾動(dòng)影響，工作面?zhèn)认驊冶鄞嬖趯?dǎo)致支承應(yīng)力在大巷周圍形成應(yīng)力集中；且大巷原支護(hù)強(qiáng)度低，已服務(wù)年限長(zhǎng)，淺部圍巖發(fā)生破壞，承載能力低，甚至部分區(qū)域支護(hù)已經(jīng)失效。針對(duì)此情況，提出將卸壓與圍巖重塑相結(jié)合控制巷道圍巖，即在工作面懸臂處理與集中應(yīng)力解除的同時(shí)，重塑加固圍巖提高承載能力，形成了以回采巷道頂板切頂卸壓、受平行采動(dòng)影響大巷斷底卸壓、圍巖淺層注漿重塑為核心的“深卸-淺塑”圍巖綜合控制技術(shù)，如圖3所示。在回采工作面巷道進(jìn)行深部卸壓切斷懸臂的基礎(chǔ)上，采用大巷斷底卸壓技術(shù)(非回采巷道底板卸壓)，可以使圍巖內(nèi)積聚的彈性變形能以變形破裂的形式釋放，從而改變?cè)衅扑閰^(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)范圍，并使應(yīng)力集中的彈性區(qū)轉(zhuǎn)移到圍巖更深處，使兩幫及底板淺部圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)。阻斷應(yīng)力傳遞到巷道底板，緩解動(dòng)壓對(duì)大巷產(chǎn)生的強(qiáng)烈底鼓影響。針對(duì)淺部圍巖破碎的特點(diǎn)，采用淺部圍巖打孔注漿和施工注漿錨索的方式，重塑圍巖完整性與承載力。

圖3 “深卸-淺塑”圍巖綜合控制技術(shù)

2.2 工作面深部斷頂卸壓

結(jié)合前期地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果，得到2號(hào)煤層頂板主要巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，并根據(jù)基本頂梁式模型。

在計(jì)算基本頂初次垮落步距之前，根據(jù)梁式模型計(jì)算基本頂上覆均布載荷q計(jì)算公式如下：

式中，(qn)1為計(jì)算到上覆第n層巖層時(shí)基本頂所承受的載荷，kPa；E1為基本頂彈性模量，MPa；h1為基本頂厚度，m；Ei為上覆第i層巖層的彈性模量，MPa；hi為上覆第i層巖層的厚度，m；ri為上覆第i層巖層的容重，kN/m3。

采空區(qū)側(cè)第i層巖層懸臂長(zhǎng)度可根據(jù)下式計(jì)算：

式中，Li為該層懸臂長(zhǎng)度，m；hi為該層厚度，m；σi為該層抗拉強(qiáng)度，MPa；(qn)i為計(jì)算到上覆第n層時(shí)該巖層i所承受載荷，kN。

將頂板各巖層力學(xué)參數(shù)代入式(1)計(jì)算得2號(hào)煤層上覆基本頂自重及各層載荷，利用懸臂計(jì)算公式(2)得出采空區(qū)頂板各巖層的懸臂長(zhǎng)度和懸臂厚度，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各層巖石物理力學(xué)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

頂板懸臂長(zhǎng)度如圖4所示，由圖4可以推斷出，在形成采空區(qū)后，第1層巖層自然垮落，第3層巖層將由第2層3.7m厚細(xì)砂巖控制一起垮落，第5、6層巖層將由第4層4.3m厚粉砂巖控制一起垮落。在2號(hào)煤層三帶內(nèi)活動(dòng)的關(guān)鍵層中，4.3m厚粉砂巖為主關(guān)鍵層，起主要控制作用，3.7m厚細(xì)砂巖為亞關(guān)鍵層，起次要控制作用。因此，深部卸壓必須超過(guò)4.3m厚粉砂巖范圍才能實(shí)現(xiàn)較好的卸壓效果。根據(jù)頂板巖層計(jì)算，確定了深部卸壓鉆孔由采煤工作面靠向煤柱側(cè)頂板打設(shè)，高度14m，傾角70°。

圖4 頂板各巖層懸臂長(zhǎng)度

2.3 大巷斷底卸壓方案

針對(duì)應(yīng)力型底鼓嚴(yán)重的問(wèn)題，提出底角爆破斷底技術(shù)，通過(guò)底角爆破阻斷應(yīng)力傳遞到巷道底板，緩解動(dòng)壓對(duì)大巷產(chǎn)生的強(qiáng)烈底鼓影響。通過(guò)在東翼運(yùn)輸巷進(jìn)行底角斷底卸壓，卸壓孔布置在南側(cè)幫，離巷道底板高度100mm，與水平線呈向下40°俯角布置，鉆孔直徑75mm，孔深6.0m，孔間距2.0m，大巷斷底卸壓方案如圖5所示。

圖5 大巷斷底卸壓方案(mm)

2.4 破碎圍巖重塑方案

頂板及兩幫圍巖注漿鉆孔，沿巷道斷面成排布置，頂板每排布置3個(gè)，間排距1200mm×2000mm，兩幫每排每幫布置2個(gè)，間排距1400mm×2000mm；注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)加固參數(shù)：頂板每排3根，間排距1200mm×1000mm，巷幫每幫每排2根，間排距1400mm×1000mm。施工流程為：煤柱側(cè)巷幫擴(kuò)刷→補(bǔ)打錨桿及注漿錨索→噴漿→打設(shè)注漿孔→注漿及參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3 工業(yè)性試驗(yàn)效果分析

通過(guò)該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，從煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)、工作面懸頂監(jiān)測(cè)、巷道礦壓觀測(cè)三大方面對(duì)圍巖控制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)

在煤柱距大巷3m、6m、9m、12m、15m分別安裝了5組煤柱應(yīng)力計(jì)，煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)如圖6所示。由圖6可以看出，3m處安裝前已經(jīng)處于破碎期正在降壓，后經(jīng)壓實(shí)應(yīng)力上升，幫部發(fā)生明顯位移應(yīng)力降低至平衡；6m處煤體破碎后降壓，短暫平衡后破碎煤體壓實(shí)，應(yīng)力升高后保持平衡；9m處煤柱中部遠(yuǎn)離回采面，受采動(dòng)超前壓力應(yīng)力升高，破碎后降壓，經(jīng)壓實(shí)應(yīng)力升高后平衡；12m處煤柱中部，煤體破碎后應(yīng)力降低，經(jīng)壓實(shí)應(yīng)力升高后平衡；15m處煤柱中部偏向回采面，煤體破碎后應(yīng)力降低，壓實(shí)過(guò)程中應(yīng)力升高后平衡。整體來(lái)說(shuō)，煤柱應(yīng)力在回采增高后及時(shí)得到了穩(wěn)定，整體升高幅度可控。

圖6 煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)情況

3.2 工作面懸頂監(jiān)測(cè)

工作面當(dāng)日懸頂長(zhǎng)度曲線如圖7所示，通過(guò)每日觀察2211工作面隅角懸頂情況，可以看出：工作面當(dāng)日懸頂由原2～6m(10～30m2)降至為0～1.2m(小于10m2)，基本實(shí)現(xiàn)了懸頂面積符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，說(shuō)明通過(guò)頂板切頂卸壓對(duì)隅角頂板進(jìn)行了弱化，使其在工作面回采后可及時(shí)垮落，有效降低了回采超前壓力對(duì)鄰近大巷的影響。

圖7 工作面當(dāng)日懸頂長(zhǎng)度曲線

3.3 巷道礦壓觀測(cè)

圖8 巷道變形量曲線

巷道變形量曲線如圖8所示，通過(guò)頂板離層觀測(cè)，頂板總離層值處于20mm以內(nèi)，錨桿索受力均未超過(guò)其承載范圍，圍巖變形量由回采工作面超前影響后逐步上升并趨于穩(wěn)定，其頂板變形量最大值為34mm，底鼓量最大為182mm，煤柱側(cè)巷幫最大變形量為164mm，實(shí)體煤側(cè)巷幫最大的變形量為132mm，整體滿足了礦方使用要求且變形量趨于穩(wěn)定。

4 “深卸-淺塑”圍巖綜合控制技術(shù)優(yōu)勢(shì)

通過(guò)平行采動(dòng)影響大巷“深卸-淺塑”圍巖綜合控制技術(shù)，改變現(xiàn)有圍巖控制技術(shù)中只采用擴(kuò)刷補(bǔ)強(qiáng)方式的不足之處。

1)針對(duì)回采動(dòng)壓來(lái)源，采用爆破手段對(duì)動(dòng)壓來(lái)源頂板進(jìn)行卸壓，使應(yīng)力集中的彈性區(qū)轉(zhuǎn)移到圍巖更深處，降低對(duì)大巷的影響。

2)采用爆破方式對(duì)需保護(hù)受平行采動(dòng)影響大巷進(jìn)行異巷斷底卸壓，阻斷底板應(yīng)力傳遞，使兩幫及底板淺部圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)。

3)采用無(wú)機(jī)注漿材料，在受平行采動(dòng)影響大巷內(nèi)進(jìn)行打孔注漿和施工注漿錨索，使淺部圍巖重塑完整性，提高承載能力。

4)在圍巖重塑的基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)方式，充分發(fā)揮錨桿主動(dòng)支護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的有效控制。

5)在此控制方式下，可降低大巷護(hù)巷煤柱寬度，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的有效回收，創(chuàng)造大量經(jīng)濟(jì)效益。

6)通過(guò)上述各控制方法結(jié)合，可有效避免支承壓力的疊加，實(shí)現(xiàn)平行采動(dòng)影響大巷的圍巖控制，降低裂隙發(fā)育，同時(shí)對(duì)于緩和煤與瓦斯突出具有一定作用。

5 結(jié) 論

1)針對(duì)沁新煤礦東翼運(yùn)輸大巷原支護(hù)強(qiáng)度低、已服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)、淺部圍巖破碎、底鼓嚴(yán)重且受相鄰工作面懸臂側(cè)向支承壓力影響圍巖控制難度大等特點(diǎn)，確立了“深卸-淺塑”圍巖綜合控制技術(shù)的適用條件。

2)利用基本頂梁式模型計(jì)算了在2號(hào)煤層三帶內(nèi)活動(dòng)關(guān)鍵層，其中，4.3m厚粉砂巖為主關(guān)鍵層，3.7m厚細(xì)砂巖為亞關(guān)鍵層。確定了深部卸壓必須超過(guò)4.3m厚粉砂巖范圍才能實(shí)現(xiàn)較好的卸壓效果。在此基礎(chǔ)上與平行采動(dòng)影響大巷斷底卸壓和淺層圍巖注漿重塑控制技術(shù)結(jié)合，形成了平行采動(dòng)影響大巷“深卸-淺塑”圍巖綜合控制技術(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。

3)工業(yè)性試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)顯示，煤柱應(yīng)力在增高后逐步趨于平穩(wěn)；工作面隅角基本可實(shí)現(xiàn)當(dāng)日無(wú)懸頂；頂?shù)装蹇傋冃瘟?16mm，兩幫移近量296mm且已基本穩(wěn)定，頂板總離層值控制在20mm以內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)平行采動(dòng)影響大巷的有效控制。同時(shí)相比于原方案，成功降低了保護(hù)煤柱寬度，在保障回收過(guò)程的安全性的前提下，提高了煤炭回收率。