回采強動壓影響下煤層大巷圍巖控制技術探討

陳 凱

（潞安集團余吾煤業有限公司，山西 長治 046103）

工作面回采期間，采空區上覆覆巖的垮冒將會導致其中的堅硬頂板產生懸頂效應，當懸頂到一定長度時，堅硬頂板將會突然破斷產生強烈的動載荷。在堅硬頂板懸頂的過程中，將會對工作面前方煤體造成超前支承應力，且懸頂長度越大，所形成的超前支承應力集中程度越高。

當回采工作面前方存在煤層巷道時，隨著回采工作面推進靠近煤層巷道，其極易受到回采強動壓影響而圍巖碎裂。因此有必要針對工作面回采推進至煤層巷道時對煤層巷道圍巖失穩破壞影響進行研究，提出合理的防范措施。

1 工程地質概況

潞安集團余吾煤業所開采的井田坐落于山西長治屯留縣境內，井田內主采3 號煤層。該主采煤層平均厚度為6.31m，平均傾角為3°，屬于近水平厚煤層開采，所采用的開采工藝為綜采放頂煤方式。井田內東翼采區北側首采面為N2105 工作面，其東側為N2106 未掘工作面，其西側為N2103 掘進工作面，其北側為實體煤層，其南側為5 條上山煤層大巷。N2105 工作面埋深在507～597m 之間，工作面傾向長為285m，走向長約為2350m。N2105 工作面與上山煤層大巷平面位置關系如圖1 所示。

圖1 N2105 工作面與上山煤層大巷平面位置圖

N2105 工作面停采線南側的5 條上山煤層大巷由近及遠依次為：1#回風大巷、輔助運輸大巷、膠帶大巷、進風大巷和2#回風大巷。當N2105 工作面回采推進至停采線附近時，受回采強動壓擾動影響，5 條上山煤層大巷圍巖出現了不同程度的破壞。采用鉆孔窺探設備對5 條上山煤層大巷的圍巖進行勘探，結果如圖2 所示。

圖2 5 條上山煤層大巷圍巖鉆孔勘測結果

由圖2 可知，靠近N2105 工作面停采線一側的1#回風大巷和輔助運輸大巷受回采強動壓影響最為嚴重，其巷道圍巖呈現出較為嚴重的碎裂現象，對巷道圍巖的穩定性控制極其不利；而離N2105 工作面停采線較遠的2#回風大巷，其圍巖完整性較好，說明其受到N2105 工作面回采擾動影響甚微；離N2105 工作面停采線位置居中的膠帶大巷和進風大巷圍巖呈現出較為完整的結構，其圍巖中存在輕微的破碎現象。5 條上山煤層大巷圍巖的破壞程度由靠近N2105 工作面停采線一側向遠離N2105 工作面停采線一側逐漸減輕，說明N2105 工作面的回采擾動效應對于煤層大巷圍巖有著直接的影響作用。

2 注漿加固控制技術

由圖2 所示可知，針對煤層大巷圍巖受N2105工作面采動影響而圍巖較為碎裂的問題，可以采用注漿加固的方式來提高圍巖的完整性。

根據圖3 所示的圍巖分層注漿加固技術可知，對于煤層大巷淺部較為碎裂的圍巖進行淺部注漿，而對于煤層大巷中部較為完整的圍巖進行中部注漿，且針對巷道圍巖表面進行噴層作業，從而實現圍巖的分層注漿加固。具體的實施步驟為：根據現場巷道圍巖破壞情況，首先確定淺部注漿管和中部注漿管的長度，并在圍巖中按照合理的間排距埋入注漿管，注漿管口露出巷道表面；其次對巷道圍巖表面進行噴層作業，使得巷道表面破碎的圍巖被封閉于噴漿層下方，在此要注意噴漿時避免把注漿管口給堵塞；再次，施工注漿作業時，先采用較小的壓力對淺部注漿管進行注漿，將淺部較為破碎的圍巖通過注漿膠結作用形成較為完整的結構體，同時起到對中部注漿的封閉層效果；最后采用較大的壓力對中部注漿管進行作業，將中部較為完整圍巖中的裂隙注入漿液，使中部圍巖完整性進一步提高。

圖3 圍巖分層注漿加固技術

通過分層注漿加固技術，使得煤層巷道中淺部較為破碎的圍巖結構整體性得到進一步提升，提高其對回采動壓擾動的抵抗效果。注漿加固圍巖對巷道防范回采強動壓影響的力學模型如圖4 所示。

圖4 注漿加固巷道圍巖防范回采強動壓影響力學模型

由圖4 可知，當N2105 工作面回采造成劇烈采動擾動時，其以動載應力波的形式向巷道自由空間內傳播，但由于巷道中淺部圍巖注漿后圍巖整體結構性增加，會與深部的圍巖之間形成一強弱結構面，因此動載應力波在傳播至強弱結構面時會發生反射和透射情況，使得原本的KMN 應力曲線轉變為STH 應力曲線，其中FC 應力曲線被發射回去。這一動載傳播過程中，應力降明顯，對巷道圍巖的擾動效應大幅度降低，因而對巷道圍巖的破壞作用減弱。再者巷道圍巖注漿后整體結構性增加，不易發生失穩變形破壞而阻礙礦井的安全生產。

3 水力壓裂頂板技術

N2105 工作面回采期間，其上方堅硬頂板將會在工作面前方形成應力集中系數較高的超前支承應力，采動形成的超前支承應力也會對煤層大巷圍巖造成嚴重的影響，因此有必要針對超前支承應力提前進行干預措施，減小其對煤層大巷的影響作用。工作面回采超前支承應力對前方煤層大巷的影響情況如圖5 所示。

圖5 N2105 回采工作面超前支承應力分布

由圖5 可知，當N2105 工作面回采推進至靠近停采線位置時，為了防止其上方堅硬頂板形成的超前支承應力對煤層大巷的影響，可以采用水力壓裂頂板的方法對頂板進行致裂，進而減小因堅硬頂板懸頂長度過大而在煤體前方引起過大的超前支承應力。水力壓裂頂板的流程示意圖如圖6 所示。

圖6 水力壓裂頂板流程示意圖

由圖6（a）可知，首先采用鉆機向煤層上方頂板施工仰角鉆孔，并利用切槽鉆頭在頂板中需要致裂的位置處施工橫向切槽，為后續的致裂提供基礎條件；由圖6（b）可知，采用封隔器對施工橫向切槽位置前后進行封堵，形成一密閉封隔段；由圖6（c）可知，通過高壓泵將高壓水注入到封隔段中，在較高的水壓作用下，橫向切槽將會沿著槽縫方向延伸擴展，進而在堅硬穩定巖層內形成一范圍較大的致裂結構弱面，實現對堅硬頂板的致裂切割效應。

4 結論

（1）圍巖分層注漿加固的方法能夠將巷道中淺部破碎煤巖體膠結成整體性較強的完整結構體，且能夠在圍巖中形成一強弱結構面，起到很好的防范效果。

（2）對煤層上方堅硬穩定巖層進行預先水力壓裂，能夠防止堅硬頂板因懸頂長度過大而在回采工作面前方形成較高的應力集中，進而保護了煤層大巷在較高的集中靜載荷作用下的圍巖失穩破壞。

（3）采用圍巖分層注漿加固技術和水力壓裂堅硬穩定頂板技術相結合的形式，能夠有效地對煤層大巷圍巖的穩定性起到防治效果，保障煤層大巷為礦井安全生產服務的作用。