二次采動影響下回采巷道礦壓顯現及控制技術研究

任建慧

(神東煤炭集團有限責任公司 布爾臺煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

近年來，隨著煤礦開采強度逐漸增大，開采速度日益加快，導致煤礦生產條件也愈加復雜，造成礦壓顯現日益突出；結合神東礦區實際生產特征，其工作面走向長度大、推進快、裝備大功率型設備，為了緩解采掘接續緊張，提高煤炭回采率，神東礦區廣泛采用雙巷布置工作面，回采巷道掘進方式多為兩條甚至三條巷道同時掘出，導致部分需要保留的回采巷道受到多次采動影響，即始終有一條受多次采動影響巷道(留巷)，礦壓顯現劇烈，巷道圍巖穩定控制困難，維修費時費力，這種雙巷甚至三巷的布置方式下復雜的礦壓顯現直接影響著礦井的生產。

布爾臺煤礦42煤存在應力集中現象，綜放工作面回采期間超前礦壓顯現劇烈，巷道圍巖變形嚴重，直接影響綜放面回采。42105工作面回采期間發生過7次大的頂板來壓，導致157根單體折損、機尾段支架安全閥損壞；42106工作面回采期間發生了6次大的頂板來壓，輔運巷底鼓嚴重，超前支架倒架，影響工作面正常推進；42107工作面回采期間發生了6次大的頂板來壓，存在機尾超前段礦壓顯現劇烈、巷道收斂變形嚴重等問題。因此，隨著開采強度、開采深度的加大，亟需對多次采動影響下，留巷圍巖破壞演化機理開展一系列理論和實踐研究，厘清采動影響下回采巷道礦壓顯現規律及穩定機制。通過對布爾臺煤礦42107綜放工作面輔運巷礦壓顯現規律進行監測、分析，總結采動影響下巷道圍巖破壞、變形機制，提出采取水力壓裂卸壓、注漿加固及優化補強支護措施聯合加固支護技術方案，解決了采動影響下回采巷道礦壓顯現劇烈難題，有效控制巷道變形，使其滿足生產要求。

1 試驗巷道工程地質條件

布爾臺煤礦42107綜放工作面布置在42煤一盤區，上部(東北部)為42106工作面(已回采)，下部為42108工作面(尚未回采)，該輔運巷設計長5381m，沿底掘進，斷面形狀為矩形，寬×高=5400mm×3600mm，埋深310～471m，煤層底板的最低處在切眼附近，回采總體呈正坡推進。42107輔運巷所在的煤層厚度為3.46～7.05m，平均6.13m，煤層傾角3°～9°。根據三維地震勘探資料分析，煤層賦存穩定，結構簡單；輔運巷道上方頂底板情況見表1。

42106工作面回采時42107輔運巷作為回風巷及輔助運輸巷，待42107綜放工作面回采時又作為進風巷及輔助運輸巷為其服務，則42107輔運巷受到多次采動影響。此外，42107綜放工作面煤層上覆松散層厚2.5～25.9m，該工作面上部為22煤層22106、22107工作面采空區，與上方22煤層間距為45～78m，局部為22煤層回采的遺留煤柱區域，主要包括22106、22107工作面跳采遺留的2塊煤柱區域，各工作面與巷道位置關系如圖1所示。

表1 輔運巷道上方煤層頂底板巖性

圖1 布爾臺煤礦42107綜放工作面位置關系

2 采動影響下巷道圍巖失穩機理

2.1 巷道礦壓顯現規律監測及理論分析

為了查明采動影響下巷道圍巖變形失穩機理，掌握采動影響下巷道礦壓顯現規律，制定了現場監測方案，來監測42107工作面輔運巷圍巖的表面位移、深部位移及錨索受力等變化參數。

2.1.1 表面位移監測結果

根據所測得的觀測區域內表面位移數據，整理出巷道圍巖移近量并成曲線如圖2所示。由圖2可知，42107輔運巷位于埋深460m區域及22上覆遺留煤柱下方位置，由于受高地應力和疊加集中應力作用，該區段巷道表面收斂變形顯著大于正常區段；且在回采工作面前方160m，巷道收斂變形速率加快；進一步對比分析，埋深460m區域內的輔運巷兩幫圍巖的移近量大于頂底板；位于22上覆遺留煤柱下方位置區域內的輔運巷挖底施工后，兩幫移近量顯著增加；正常區段內的輔運巷頂底板移近量大于兩幫，在回采工作面前方120m，巷道收斂變形速率加快。

2.1.2 深部位移監測結果

42107輔運巷不同區域位置巷道圍巖深部多點位移數據曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著工作面逐步回采推進，42107輔運巷頂板運移逐漸增強，受采動影響愈加明顯，頂板3m內巖層整體下沉，1.8m至3m出現離層，且離層值約為10mm；進一步對比分析，埋深460m區域及上覆遺留煤柱下方，頂板巖層運移較正常區域顯著，且埋深460m區域及上覆遺留煤柱下方輔運巷深部圍巖位移變化量分別為正常區的1.3倍、2.5倍。

圖2 42107輔運巷道表面位移曲線

圖3 42107輔運巷道圍巖深部位移曲線

2.1.3 錨索受力監測

42107輔運巷不同區域位置頂板錨索受力數據曲線如圖4所示，由圖4可知，回采過程中，42107輔運巷頂板錨索受力出現頻繁波動，反映了巖層在采動影響下活動頻繁。分析圖4(a)可知，2018年3月15日，工作面推進348.5m，此時距工作面71.5m處錨索受力顯著增大，表明埋深460m區域位置范圍內超前71.5m頂板巖層受采動影響顯著；分析圖4(b)可知，4月10日，工作面推進594m(進入上覆遺留煤柱下方)，此時距工作面166m處錨索受力突增，且呈現瞬時動態變化，表明在上覆遺留煤柱影響下超前166m范圍內頂板巖層受采動影響明顯；且錨索受力先突增后降低，究其原因為相鄰采空區側巖層回轉導致42107輔運巷上方堅硬頂板巖層出現回彈現象所致；對比分析，埋深460m區域，受高地應力影響，頂板錨索受力雖然波動較小，但整體受力較大，為正常錨索受力的1.4倍；在上覆遺留煤柱下方，頂板錨索受力動態波動顯著，為正常錨索受力的1.6倍。

圖4 42107輔運巷道錨索受力曲線

2.2 采動影響下巷道圍巖受力力學模型

基于現場工程實驗所監測的礦壓顯現規律，結合礦壓理論進行深入分析，針對布爾臺煤礦42107輔運巷受采動影響導致圍巖變形呈現動載特性，且呈現非對稱分布狀態。巷道圍巖變形破壞程度是由塑性區的大小和形態以及巷道圍巖應力分布狀態共同決定的，因此，為了查明采動影響下回采巷道圍巖破壞與變形失穩機理，對采動影響下回采巷道圍巖應力分布狀態及塑性區的大小和形態進行理論分析，構建采動影響下回采巷道圍巖受力力學模型如圖5所示。由圖5分析采動影響下回采巷道圍巖應力影響因素及作用機制主要包括：

圖5 采動影響下回采巷道圍巖受力力學模型

1)巷道圍巖側向支承壓力，巷道掘進開挖使地下煤巖體發生徑向卸荷破壞，臨空面圍巖產生側向支承壓力，致使一部分圍巖承受較大應力，一部分圍巖處于應力降低區，巷道圍巖形成初始破壞狀態。

2)相鄰采空區覆巖運移擾動應力，相鄰工作面回采后在巷道煤柱側形成大范圍的采空區，處于松散狀態，且上覆部分懸空巖層的重量要轉移到本工作面的煤體和邊界煤柱上，使采空區橫向分布著高于原巖應力的垂直壓力，導致邊界煤柱內出現應力集中區；另外，相鄰采空區覆巖頂板發生回轉使回采巷道頂板巖層產生擠壓和拉破壞，當相鄰采空區頂板巖層變形量較大發生滑移，對巷道頂板巖層產生附加的剪切作用力，對于堅硬頂板厚煤層而言，采空區覆巖垮落無法充填采空區而發生垮落、破斷，產生強動態載荷作用通過巷道底板圍巖傳向回采巷道，造成回采巷道發生動壓顯現。

3)本工作面回采超前采動應力，隨著本工作面逐步回采，工作面前方的圍巖應力為尋求新的平衡狀態而發生重新分布，進而在工作面前方形成應力增高區，即超前采動應力；由于相對于巷道斷面尺寸而言工作面所形成的空間尺寸較小，則在煤巖體環境一定時，工作面回采采動應力將影響回采巷道側向應力分布，雖然相對其它擾動應力而言，其量值較小，但是采動應力隨著工作面回采一直處于動態變化過程；并且，當采動應力受到其它開采擾動影響后，其動態變化會出現急劇波動，甚至增大數倍；如42107綜采工作面過上覆22煤層遺留煤柱期間，在煤柱疊加高應力作用下，42107工作面礦壓顯現劇烈，以及輔運巷錨索監測數據出現明顯波動。

4)上覆遠場關鍵層破斷，對于厚煤層綜放工作面而言，遠場關鍵層發生“橫O-X”破斷，破斷斷裂線延伸方向平行于工作面臨空巷道軸線方向，在上覆載荷作用下，塊體發生回轉運動，但回轉運動方向垂直于工作面臨空巷道軸線方向，因而對臨空巷道圍巖產生沿巷道斷面徑向的擠壓作用，是造成輔運巷超前底鼓的主要原因；對42107輔運巷分析可知：隨著42煤層工作面的逐步回采，雖然42煤層下位關鍵層周期破斷后形成砌體梁結構，破碎巖石的充填使得上位關鍵層獲得的回轉空間較小，對上部22煤層采空區巖層起到臨時支撐作用，但該結構并未達到最終穩定狀態，受到采動影響導致遠場關鍵層破斷，所產生的強擾動導致巷道破壞。

5)其他地質因素的影響，如上覆松散巖層、遺留集中煤柱等等；如42107綜放工作面上覆松散巖層厚2.5～25.9m，其成巖程度低、沙粒間膠結程度差、結構強度低，遇水如泥、遇風成砂，因此，采動使其破壞，則松散巖層作為載荷作用于老頂上。

2.3 采動影響下巷道圍巖破壞機制

巷道圍巖變形失穩的實質是在圍巖應力作用下圍巖產生了一定范圍的塑性破壞區，且塑性區的大小和形態決定巷道圍巖破壞程度，揭示圍巖失穩機理須掌握巷道圍巖的塑性區特征；而回采巷道由于受到采動引起的加卸載效應影響，處于非等壓環境；則圍巖產生不規則形態的塑性區，塑性區的寬度，即支承壓力峰值與煤壁邊緣之間的距離La為：

式中，m為煤層開采厚度，m；C為煤體粘聚力，MPa；φ為煤體內摩擦角，(°)；λ為煤柱塑性區與彈性區界面處的側壓系數；Pz為對煤幫的支護阻力，MPa；γ為巖層平均容重，kg/m3；H為巷道埋深，m；k為應力集中系數。

Lb根據錨桿的有效支護長度取值，再增加15%的富裕系數。

Lc為考慮煤層厚度較大而留設增加的煤柱內彈性區范圍，按式(2)計算：

Lc=(La+Lb)(30%～50%)

(2)

則煤柱內等效穩定承載范圍計算為：

L=Lb+Lc=B-La

(3)

式中，B為綜放開采煤柱寬度，m。

由式(1)—式(3)分析可知，埋深H越大，巷道圍巖塑性區破壞范圍增加；受上覆遺留煤柱影響導致輔運巷煤柱塑性區與彈性區界面處的側壓系數λ增大，導致圍巖破壞變形加劇；采取卸壓措施降低應力集中系數k，以及施工補強支護增大對煤幫的支護阻力Pz，可有效控制圍巖破壞范圍；降低巷道圍巖塑性破壞范圍，可以增強煤柱承載能力。另外，輔運巷兩幫側支承壓力峰值距煤壁邊緣位置不同，則圍巖塑性破壞范圍呈非對稱狀態分布，與現場圍巖鉆孔窺視結果一致。由鉆孔窺視結果可知，42107輔運巷正幫煤體松動圈為0.8～1.0m，其中0.5m內較破碎；而副幫松動圈大于1.5m，現場塌孔嚴重，裂隙分布深度分別為1.5m、1.1m、0.9m。此外，由鉆孔窺視最大破壞深度可知，巷道圍巖塑性破壞形態呈現出非對稱性分布特征。

3 控制技術研究

3.1 頂板卸壓技術

42107輔運巷礦壓顯現劇烈，采動影響回采巷道圍巖穩定，因此，采取水壓致裂措施對采空區堅硬難冒頂板進行人為施工處理，弱化或割裂采空區覆巖垮落、破斷對回采巷道變形破壞的影響。因為42107輔運巷使用超前支架支護，超前支護距離大于50m，為保證定向水力壓裂卸壓施工不影響42107綜放工作面正常生產，完工區段應超前工作面煤壁至少100m。依據定向水力壓裂卸壓原理，并結合上述42107輔運巷礦壓顯現研究結果、鉆孔窺視和圍巖強度等參數，來設計水力壓裂卸壓方案鉆孔參數如圖6所示。

圖6 42107輔運巷水力壓裂設計(m)

3.2 注漿加固措施

采動影響作用下造成42107輔運巷圍巖處于頻繁加卸載狀態，導致其承載能力差，錨固性能降低，繼而造成支護體系難以發揮作用，幫鼔、底鼓嚴重。巷道底鼓造成底板不平，超前支架工作狀態差，支架頂梁與頂板不能完全接合，初撐力不足，主動支護效果差，影響安全生產，采取挖底施工措施后，巷道幫部圍巖又變形嚴重，影響超前支架并排安裝、推移，無法保證正常超前支護效果。

針對42107輔運巷變形破壞特征對巷道幫部施工注高分子材料，在42107輔運巷4543～4468m(距離切眼810～885m)正、副幫注高分子材料，鉆孔設計：距底板1.5m處以20°仰角施工注漿孔，孔間距5m，孔徑42mm，孔深4.6m，垂深1.573m，共計施工75m；施工32個孔，正、副幫各16個孔，具體施工方案如圖7所示。

圖7 42107輔運巷注高分子材料施工

對巷道幫部圍巖注高分子材料，主要機理為：當樹脂和催化劑安裝配比摻在一起時發生化學反應產生膨脹，本身反應或發泡生成多元網狀密彈性體的特征，當它被高壓推擠，注入到煤巖層或混凝土裂縫(在高壓作用下可以使煤巖層的閉合裂隙張開)，可沿煤巖層裂縫延展直到將所有裂隙(包括肉眼難以覺察的裂隙及在高壓作用下重新張開的裂隙)充填。加固圍巖裂隙和不穩定地層，進而密實煤幫圍巖，加固采動影響巷道幫部。同時又能充填支撐幫部松動塌落的煤體，限制塑性變形區和破裂區的發展，保證巷道的圍壓，使得圍巖易于恢復三向受力狀態。

4 現場應用效果監測

根據設計方案對42107輔運巷施工水力壓裂及注漿加固措施，并對巷道表面位移及來壓步距進行監測，以便掌握巷道支護工況及礦壓顯現情況。

4.1 表面位移監測

42107輔運巷表面位移曲線如圖8所示，由圖8可知，對42107輔運巷正、副幫注高分子材料施工加固后，巷道圍巖收斂變形明顯減小，趨于穩定后巷道高度減小0.6m，寬度減小0.9m，巷道變形量均在合理范圍內，支護效果良好，巷道斷面符合要求。

圖8 表面位移曲線

4.2 來壓步距監測

42107工作面水力壓裂前后來壓步距對比如圖9所示，由圖9可知，對42107工作面回采進入水力壓裂區域前后8次礦壓顯現進行對比分析，未壓裂區域平均來壓步距28m，水力壓裂卸壓區域內平均來壓步距17m，來壓步距明顯減小。

圖9 水力壓裂前后來壓步距對比

5 結 論

1)布爾臺煤礦42107輔運巷頂板2m內巖層整體下沉，1.8m至3m出現約10mm離層；埋深460m區域及上覆遺留煤柱下方輔運巷深部圍巖位移變化量分別為正常區的1.3倍、2.5倍；且埋深460m區域頂板錨索受力雖然波動較小，但整體受力較大，為正常錨索受力的1.4倍；在上覆遺留煤柱下方，頂板錨索受力動態波動顯著，為正常錨索受力的1.6倍。

2)分析礦壓顯現規律及工程實際情況，結合礦壓理論構建了采動影響下巷道圍巖受力力學模型，并總結研究了采動影響下回采巷道圍巖應力影響因素及作用機制。

3)通過理論計算分析了采動影響下回采巷道圍巖塑性破壞區大小及煤柱內等效穩定承載范圍，揭示了采動影響下回采巷道圍巖塑性破壞呈非對稱狀態分布，并與現場圍巖鉆孔窺視結果一致。

4)根據巷道圍巖受采動影響的特點，采取水力壓裂及注高分子材料來改善或控制采動巷道圍巖應力分布狀態，現場應用工業性試驗表明：對42107輔運巷正、副幫注高分子材料施工加固后，巷道圍巖收斂變形明顯減小，來壓步距明顯減小，巷道變形量均在合理范圍內，巷道斷面可滿足安全生產要求。