雙采動影響下預留巷道圍巖控制技術研究

李俊福

(山西晉煤集團 長治仙泉煤業有限公司，山西 長治 047100)

巷道作為煤炭開采空間的一部分，其圍巖的穩定性決定了煤炭的安全開采和回采效率[1-2]. 巷道在服務期間受周圍復雜應力環境的影響，影響了巷道的完整性，甚至縮短了巷道的服務年限[3].

目前，巷道圍巖變形技術多針對于巷道的后期維護，如巷道變形后的補強支護、后期的破碎圍巖注漿加固等[4-5]. 這些技術方法雖然短時間內控制了巷道圍巖變形，但沒有從巷道變形機理的角度治理，耗費財力物力多，返修率較高[6]. 由于回采巷道的特殊性，受回采的影響，在服務期間圍巖大多要發生強烈破壞并產生較大的松動變形，變形及應力狀態的不同將使圍巖表現出不同的承載特性及穩定性特征。巷道圍巖的控制過程是一個貫穿圍巖各個變形階段的復雜過程。因此，要實現對巷道圍巖的有效控制，必須正確認識圍巖在各變形階段的穩定狀態本質，掌握巷道周圍應力各個階段變化，從圍巖變形機理的角度，針對性地控制不同圍巖條件下的巷道變形，達到巷道在回采期間的服務要求，節約維修成本。

針對晉煤集團古書院礦152309工作面在雙采動影響下預留巷道變形情況，對巷道圍巖變形機理進行調研分析，采用切頂卸壓轉移應力，同時聯合進行錨索注漿加固的方式，解決其巷道變形問題。

1 工程概況

古書院礦152309工作面開采15#煤層，工作面推進長度1 588 m，傾斜長度為181 m，煤厚0.8～2.8 m，傾角5°，地面標高875～1 050 m，工作面標高563～616 m. 直接頂巖性為10.13 m厚灰巖，屬于堅硬巖層。直接底板巖性為3.12 m厚泥巖，屬于軟巖層基本底。工作面巷道布置采用一面兩巷(一進一回)的布置形式。工作面布置圖見圖1.

圖1 152309工作面布置圖

2 巷道圍巖變形特征與分析

2.1 巷道圍巖變形特征

通過對古書院礦不同開采條件下工作面回采巷道圍巖變形量實測可知，高應力水平是預留巷道圍巖錨固體流變失穩的內在原因，而不同的錨桿-錨索耦合支護參數是巷道圍巖錨固體流變穩定的外在因素。分析巷道圍巖錨固體的變形破壞特征，有利于實現流變圍巖的有效控制。該礦臨近工作面巷道的主要變形特征為：

1) 頂板均為堅硬巖層，承載能力強，巖體強度大，不發生撓曲變形，不易破碎。

2) 臨近工作面回采巷道兩幫變形量較大，片幫嚴重。

3) 巷道底鼓嚴重。在回采151305工作面過程中，工作面膠帶巷受二次采動影響底鼓達到0.8～1.5 m；在回采151306工作面過程中，工作面回風巷受初次采動影響底鼓達到0.5～1.2 m，膠帶巷受二次采動影響底鼓達到0.7～1.5 m；回采152307工作面過程中回風巷受初次采動影響底鼓達到0.5～1.2 m.

2.2 圍巖變形機理分析

通過對該工作面地質調研分析發現：該地質區域煤層直接頂厚度大、強度高、完整性好，推進過程中在工作面端部容易形成長度較大的懸臂梁，礦壓通過懸臂梁傳遞到煤柱上，引起巷道保護煤柱內應力集中程度高。而預留巷道與采空區間的煤柱僅為25 m，支承壓力帶寬度為44 m，巷道在距工作面15 m的應力峰值區域時，斷面巷道在工作面回采期間受工作面側向支承壓力影響較大，使得巷道圍巖破壞嚴重。

3 治理方案設計及效果分析

通過對臨近工作面巷道圍巖變形特點分析可知，應力集中是造成巷道片幫、底鼓嚴重的主要原因，轉移應力將有效減緩巷道受到的高集中應力，達到圍巖控制的目的。根據切頂卸壓原理[7-8]，采用超前深孔預裂爆破處理堅硬頂板，在工作面保護煤柱側對頂板進行預裂爆破，切斷1523092與1523103兩巷間的頂板結構，減小基本頂懸臂梁長度和懸頂面積，破壞頂板儲能條件，釋放預留巷道沿空側頂板壓力，降低側向壓力在巷道圍巖內的應力集中程度。同時為保證后期巷道的穩定，聯合錨索注漿對巷道圍巖進行加固[9].

3.1 切頂卸壓方案設計

3.1.1爆破鉆孔布置參數

沿1523092巷靠近煤柱一側300 mm處，從切眼向外每隔5 m布置一個鉆孔，鉆孔長度15 m, 仰角為45°(向工作面后方)，水平角度為0°，裝藥長度5 m，裝藥量15 kg，炮孔剩余部分用炮泥封滿；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；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1523092巷的預裂爆破。具體施工方案見圖2.

圖2 超前支護與切頂炮眼空間關系示意圖

3.1.2爆破工藝

采用雙向聚能爆破技術實現對頂板的定向切割。雙向聚能拉張成型爆破指將藥包放入兩個設定方向有聚能效應的聚能裝置，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設定方向上均勻受壓，而在設定方向上集中受拉，實現被爆破體按照設定方向拉張斷裂成型。具體爆破參數為：

1) 鉆具及鉆孔。選用ZDY-1250型煤礦用全液壓坑道鉆機，三翼復合片鉆頭及天然金剛石表鑲鉆頭，成鉆孔d75 mm.

2) 使用的炸藥和雷管種類。炸藥使用煤礦許用2號乳化炸藥，藥卷d60 mm×500 mm，1.5 kg/卷，雷管使用煤礦許用8號普通瞬發、毫秒延期、秒延期電雷管。

3) 裝藥與封孔。把起爆藥卷做好后放入PVC管內，裝到要求長度后，用炮棍把PVC管推入到孔底。

3.2 錨索注漿加固方案設計

注漿錨索加固原理是將錨索的支護作用與注漿加固的作用組合起來，共同作用于巷道圍巖，通過注漿錨索壓注有機或無機漿液，不僅能從根本上保證錨索的可靠性，而且漿液通過滲透擴散對周圍松動的煤巖體產生黏結固化作用，顯著改善其整體性，提高煤巖體的自撐能力，改善巷道支護效果。注漿錨索采用中空結構，中空管兼做注漿管，索體由鋼絲、注漿芯管構成。對普通錨索的索體加工成注漿芯管并改進錨索錨具結構，以實現樹脂錨固、錨索預緊和中空管注漿一體化。

3.2.1注漿錨索布置參數

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式的增加型號d22 mm×5 300 mm的中空注漿錨索，注漿錨索布置圖見圖3.

圖3 中空注漿錨索布置示意圖

3.2.2施工工藝

注漿錨索施工工藝流程為：確定錨索孔位—打眼鉆孔—安裝錨索—注漿—封孔。

選用FLZ-1型高強注漿材料，實驗室實驗和現場運用證明其快凝早強的效果優于普通水泥漿。主要成分為粉煤灰、超細水泥、增強劑、懸浮劑和成巖劑等，注漿壓力為5.0～7.0 MPa，注漿半徑0.75 m，單孔注漿量300 L，注漿時間為20～30 min.

為保證注漿量，注漿時采用間歇式注漿。在保證不漏漿的基礎上逐漸加大注漿壓力，當達到注漿設計壓力后停止注漿，更換下一鉆孔進行注漿加固。注漿結束后清洗注漿管路。

3.3 工程效果檢驗分析

直接頂在預先切頂的作用下沿切縫垮落，采空區側向未形成懸臂梁結構，采空區端面煤體淺部破壞深度比未切頂時明顯減少；煤柱內最大應力集中系數由2.35降為1.67，降幅29%；巷道斷面收縮率由35.3%降為18.9%，巷道圍巖穩定性明顯提高。中空注漿錨索對加固巷道變形起到了明顯的效果。對1523103預留巷道不同采動影響期間的表面位移進行觀測，其中1523103巷與1523092巷相鄰，為下一工作面152310服務，工作面的回采順序為先對152309工作面進行回采，待152309工作面回采完畢且采空區上覆巖層穩定后對152310工作面進行回采，兩工作面布置圖見圖1. 選取兩個代表性測點，其圍巖變形曲線見圖4，152309工作面回采期間巷道的變形主要以底鼓為主，頂底板最大移近量為100 mm，兩幫最大移近量為20 mm；在152310工作面回采期間巷道變形主要以頂底板變形為主，頂底板最大移近量為174 mm，兩幫移近量最大移近量為77 mm，其圍巖變形情況能夠滿足工程需求，保證巷道在服務期間的安全使用。

圖4 巷道圍巖變形曲線圖

4 結 論

1) 通過對古書院礦地質條件調研分析可知，頂板厚度大、強度高、完整性好造成工作面應力集中，巷道保護煤柱內應力集中程度高是造成巷道圍巖變形的主要原因。

2) 針對雙采動影響下圍巖的變形特征，提出了切頂卸壓聯合錨索注漿加固方案，并給出了切頂卸壓爆破參數、錨索注漿加固布置參數以及相應的施工工藝參數。

3) 工業性試驗取得了成功，治理方案有效降低了雙采動影響下預留巷道周邊的圍巖應力，巷道圍巖變形得到有效控制，滿足了巷道使用要求。