采動影響下厚堅硬頂板巷道圍巖控制技術＊

晉新林

（晉城煤業集團古書院礦，山西省晉城市，048000）

1 工程概況

晉煤集團古書院礦15＃煤層為主采煤層，工作面采用 “兩進一回”布置方式，上一個工作面的回風巷在回采過程中保留下來，作為下一個工作面的運輸巷。預留巷道服務兩個工作面。目前，已回采過的工作面預留巷道受上一個工作面采動影響，巷道片幫嚴重，底臌量最大可達到1.5 m，頂板變化不大，巷道斷面最大收縮率達到70%以上，失去二次使用的作用。預留巷道圍巖變形成為制約安全生產和采掘銜接的主要問題。本文結合15＃煤層地質特征及開采條件針對1523103預留巷道受上工作面采動影響的特點，確定合理的巷道圍巖控制方案，并進行了工業性試驗。

古書院礦152309工作面位于15＃煤層二盤區，工作面巷道布置采用一面三巷（兩進一回）的布置形式，見圖1。1523103預留巷道作為152309工作面的回風巷，在152309工作面回采過程中保留下來作為152310工作面進風巷，1523103預留巷道與152309工作面間隔25 m，中間為實體煤柱，如圖1所示。

圖1 152309工作面布置示意圖

工作面推進長度1588.224 m，傾斜長度181.256 m，工作面煤層厚度0.8～2.8 m，平均厚度1.7 m，煤層傾角1°～9°，平均5°。工作面采高1.9～2.6 m。直接頂為厚10.13 m的K1灰巖，老頂為厚1.0 m的砂質泥巖，直接底為厚3.12 m的泥巖，老底為厚20 m的灰巖。圍巖普氏硬度分別為煤層2～4、夾矸1～2、直接頂10～12、直接底1～2。柱狀圖如圖2所示。

圖2 152309工作面巖層綜合柱狀圖

1523103預留巷道采用矩形斷面，巷道頂底板巖性與工作面頂底板一致，巷道斷面尺寸為5600 mm×2600 mm（寬×高），巷道采用錨桿、錨索支護。頂板采用SKP15×1／1860－5400型錨索，打設在巷道頂板中間，排距800 mm，每根錨索采用1支MSK2335和2支MSZ2360樹脂錨固劑，錨索安裝預應力在100 k N以上，同時，再打設2根錨桿，分別距兩幫900 mm，排拒800 mm，采用?18 mm×2000 mm無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，采用1支MSK2335和1支MSZ2360樹脂錨固劑進行錨固，扭矩為80 N·m。兩幫各打設3根錨桿，間排距為800 mm×800 mm，規格同頂板錨桿，1523103巷道斷面原支護參數見圖3。

圖3 1523103巷道斷面原支護參數

2 巷道圍巖變形原因及控制原則

2.1 巷道圍巖變形原因

通過現場調研及分析認為引起預留巷道圍巖變形的原因主要有：

（1）工作面側向支承壓力高。隨著152309工作面的回采，工作面后方形成大面積懸頂，未垮落的巖層以工作面前后及兩側煤壁為支撐點，將上覆巖層的壓力轉移到煤體與煤柱內部，在保護煤柱內形成較大側向支承壓力。

（2）巷道兩幫及底板圍巖強度低。預留巷道兩幫為煤體，在側向支承壓力作用下，內部產生大量裂隙，裂隙的持續發育最終與自由表面相互作用，容易發生破裂乃至片幫；巷道底板為泥巖，易泥化膨脹，造成底板圍巖強度降低，隨著工作面支承壓力增加，巷道底板的剪脹變形進一步加劇，從而導致底臌的發生。

（3）兩幫錨桿支護強度小。預留巷道在掘進過程中，其圍巖變形量小，采取簡單錨桿支護即可有效控制。但是當預留巷道受采動影響之后，圍巖的破壞范圍逐漸擴大，現有支護條件下錨桿的長度不能深入到關鍵承載圈，不能使圍巖錨固體形成有效承載結構，錨桿支護達不到應有的作用。

2.2 巷道圍巖控制原則

圍巖應力、圍巖強度和巷道支護是決定巷道圍巖穩定性的三大要素，降低圍巖應力、增強圍巖強度、選擇合理支護是保證巷道圍巖穩定性的關鍵。通過對上述引起圍巖變形因素分析，提出以下控制原則。

（1）降低工作面側向支承壓力。通過弱化工作面頂板、預先破壞工作面頂板的完整性、減小基本頂懸頂面積，緩解直接頂旋轉下沉作用在巷道圍巖內的持續作用力，降低側向支承壓力在巷道內的應力集中程度，改善預留巷道的受力環境。

（2）增強巷道支護強度。采用聯合支護方式進一步提高圍巖強度。可在巷道兩幫打設注漿錨索，通過注漿使無機或有機漿液滲透到煤體中鉆孔周圍的裂隙中，使得松散的煤體產生粘結固化作用，提高煤體的自承能力，同時為錨索提供可靠的著力基礎，增強巷道支護強度。

3 預留巷道圍巖控制技術

針對原15＃煤層預留巷道圍巖變形破壞特點，依據提出的巷道圍巖控制原則，采取相對應的卸壓與加固控制技術進行現場試驗。

3.1 工作面頂板卸壓技術

（1）切眼放頂技術。切眼放頂的目的是切斷切眼處頂板，破壞工作面堅硬頂板的完整性，減小工作面初次來壓步距，盡可能使冒落的矸石充滿采空區，形成矸石墊層，垮塌后的矸石可進一步對上覆巖層起到一定的支撐作用，降低采空區兩側煤柱內的應力集中程度，從而改善預留巷道圍巖的受力環境。設計方案應充分考慮采空區上覆巖層各層位的厚度，設計時應盡可能使堅硬頂板完全垮塌。

152309工作面設備安裝前，在切眼內距采空區側巷幫1 m處頂板上打眼。180 m長的切眼共布置A、B、C、D、E和a、b、c、d、e 10組炮孔，A和a每組為2個炮孔；B、C、D和b、c、d每組為3個炮孔，E和e每組為4個炮孔。炮眼B1、b1、C1、c1、D1、d1的長度為14 m，仰角為32°，裝藥長度7 m，裝藥量17.5 kg；A1、a1、B2、b2、C2、c2、D2、d2炮眼長度為14 m，仰角30°，裝藥長度6 m，裝藥量15 kg；A2、a2、B3、b3、C3、c3、D3、d3炮眼長度為16 m，仰角27°，裝藥長度8 m，裝藥量20 kg；E1、e1炮眼長度為14 m，仰角32°，裝藥長度7 m，裝藥量17.5 kg；E2、e2炮眼長度為14 m，仰角30°，裝藥長度6 m，裝藥量15 kg；E3、e3炮眼長度為16 m，仰角27°，裝藥長度8 m，裝藥量20 kg；E4、e4炮眼長度為10 m，仰角30°，裝藥長度4 m，裝藥量9.6 kg。炮眼剩余部分用炮泥封滿，a組與d組對稱，b組與c組對稱。

（2）巷幫預裂切頂技術。通過在1523092巷內超前工作面向頂板打深孔，在工作面前方一定距離進行爆破，切斷1523092與1523103兩巷間的頂板結構，縮短煤柱上覆堅硬頂板在采空區側的懸臂長度，減少煤柱內的應力集中程度。

圖4 1523092巷預裂爆破炮眼示意圖

沿1523092巷靠近煤柱一側300 mm處，由切眼向工作面推進方向每隔5 m布置1個鉆孔，鉆孔長度15 m，孔徑0.075 m，仰角為45°（向工作面后方），裝藥長度5 m，裝藥量15 kg，炮孔剩余部分用炮泥封滿，封泥長度10 m；切眼貫通后，工作面回采之前，布置好切眼向外50 m范圍內的10個鉆孔，實施預裂爆破，如圖4所示。在152309工作面回采的過程中，始終保持工作面前方50 m范圍內已經實施預裂爆破。炮眼參數可以根據現場爆破效果適當調整。

爆破時保證50 m的超前支護（包含安全規程規定的原有20 m超前支護），即在預裂爆破巷道分別距離兩幫600 mm處，從當前工作面向前每隔1 m布置兩排單體支柱，用于加強切頂預裂后的超前支護，以保證1523092巷道在預裂爆破期間的穩定。隨著工作面的回采，如此往復循環始終保持爆破時50 m的超前支護。

3.2 1523103預留巷道圍巖加固控制技術方案

在1523103巷道原有支護的基礎上，從預留巷道的兩幫分別平行底板向煤壁內補打注漿錨索以加強圍巖控制，即在現有每排錨桿之間三花眼交錯方式增加規格為?22 mm×8300 mm的中空注漿錨索，上下兩排錨索分別增加?14 mm梯形鋼帶，1523103巷道加固前與加固后支護方案如圖5所示。

圖5 1523103巷道中空注漿錨索布置方案

在預留巷道內補打注漿錨索后，可根據前述工作面頂板卸壓技術和注漿錨索加固技術的控制效果決定是否采用注漿方案加以補強，如果圍巖控制達不到指標要求，則基于中空注漿錨索方案的基礎上進行巷道圍巖注漿加固。

4 現場應用效果

在預留巷道中布置表面位移測點，對巷道圍巖變形情況進行監測，監測結果表明：

（1）預留巷道受工作面采動影響期間的變形規律大致分為3個區：巷道無采動影響變形區，工作面前方29.5 m外；受采動影響圍巖變形區，工作面后方96 m至前方29.5 m之間；回采影響穩定后的圍巖變形區，工作面后方96 m以外。

（2）在預留巷道各變形區內，兩幫最大收縮量為65 mm，最大頂底板移近量為116 mm，頂板無變形，巷道的變形主要以底臌為主，斷面最大收縮率僅為11%，斷面收縮率圍巖穩定性大大提高。

5 結論

（1）維護巷道圍巖穩定性所需考慮的因素不僅有要采用的錨桿支護參數還應有圍巖條件、采動影響、巷道圍巖應力狀態等，上述各因素相互制約、相互關聯。對此，提出了降低巷道圍巖內部應力與增強巷道圍巖強度的控制原則。

（2）采用工作面卸壓結合巷道圍巖加固技術后，預留巷道圍巖變形量顯著降低，最大底臌量由原來的1.5 m降為0.116 m，斷面最大收縮率由原來的70%降為11%，巷道圍巖穩定性大大提高。

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