動壓影響巷道切頂卸壓護巷技術研究

范李巖

（山西煤炭運銷集團南河煤業有限公司，山西 高平 048400）

巷道受一次或者多次采動壓力影響后圍巖應力集中，呈現變形量大、支護困難等特點[1]。特別是隨著煤層賦存深度增加，巷道所在區域地質構造更為復雜、受地應力影響更為顯著，動壓影響巷道圍巖支護更為困難[2～3]。為此，眾多的學者及工程技術人員對動壓影響巷道圍巖支護技術展開研究，其中康紅普等[4]認為預應力在巷道圍巖支護中起重要作用，高預緊力、強支護可發揮錨網索主動支護作用，并以章村礦動壓影響巷道為工程實例，對全斷面高預緊力強烈錨索支護效果進行分析；許興量等[5]針對曹村礦+500m水平大巷動壓影響下圍巖變形嚴重問題，綜合使用理論分析、數值模擬、現場實測技術手段對動壓影響巷道圍巖變形機理進行分析，并針對性提出圍巖控制技術；陳曉祥等[6]針對綜放開采動壓影響巷道變形大問題進行分析，發現動壓影響巷道巷幫塑性區剪切滑移變形是圍巖變形量的主要原因，控制巷幫變形應對針對破碎區、塑性區滑移面進行加固，提出采用注漿方式加固圍巖并強化頂底板、巷幫支護強度。15111工作面回采巷道為研究對象，對動壓影響巷道圍巖變形特征進行分析，并確定導致巷道變形破壞的主控因素，最后提成采用切頂卸壓方式降低巷道圍巖應力集中程度、恒阻大變形錨索強化圍巖支護，實現了動壓影響巷道圍巖變形有效控制。

1 工程概況

15111 工作面設計推進長度800m、傾向長120m，采面整體為單斜構造，兩順槽西高東低，落差約29～50m，工作面回采的15#煤層傾角6°～21°、平均15°，厚約2.4～4.5m，平均厚度3.15m，煤層頂底板巖性以泥巖、灰巖、砂質泥巖等為主，具體頂底板巖性如表1所示。根據回采巷道掘進揭露以及已有物探資料顯示，采面626～632m段回風順槽揭露頂板空洞區域，寬約0.8m，高約0.5m，方向為西南往東北方向延伸（N45°E）頂板局部有黃泥覆蓋，頂板破碎不完整。15111采煤工作面裝備ZZ8000/22/44型液壓支架、SGZ-764/400型刮板輸送機和MG300/730-WD 型采煤機，工作面采煤實行一次采全高開采方式。15111 工作面采用“兩進一回”通風方式，留設的保護煤柱寬度為20m，待15103工作面回采完畢后15103 輔運順槽作為15111 回風順槽使用，具體采面位置如圖1所示。15111回風順槽在采動壓力影響下圍巖變形量較大，為此提出采用切頂卸壓方式降低動壓對巷道圍巖變形影響同時使用恒阻錨索補強支護，以便實現動壓影響巷道圍巖變形有效控制。

圖1 巷道位置示意圖

表1 15#煤層頂底板巖性參數

2 動壓影響巷道圍巖變形特征分析

動壓影響巷道圍巖變形特征與巷道所處地質條件、圍巖力學環境等密切相關，15111 回風順槽埋深均值為300m，地應力整體較小。在動壓影響下15111回風順槽原有的錨索出現失效，已無法滿足巷道控制需要，因此需要對巷道變形破壞的主控因素進行分析，并針對性提出圍巖控制技術方法。

2.1 巷道圍巖變形特征

具體現場獲取的15111 回風順槽圍巖變形現場情況如圖2所示。從現場變形情況可以看出，回風順槽頂板破壞較為嚴重，圖2（a）、圖2（b）中可清晰地看到頂板出現不同程度下沉，巷道頂板變形破壞范圍超過1.5m甚至局部超過2.0m；頂板離層現象較為明顯，錨固區內以及錨固區外巖體均出現一定程度的離層情況；頂板巖層破碎，局部頂板位置金屬網出現網兜，頂板下沉量達到500～1000mm；部分支護用懸吊在半空中，已失去圍巖控制作用。巷道底板出現一定程度底鼓，如圖3（c）所示，局部位置底鼓量大是動壓影響巷道變形特征之一，同時也是巷道圍巖控制難點，在底鼓影響下局部支柱出現傾斜，影響巷道正常使用。

圖2 巷道圍巖變形現場情況

2.2 圍巖變形主控因素分析

工程地質條件、施工條件以及圍巖賦存環境等因素共同決定了巷道圍巖變形與破壞，依據15111回風順槽現場條件及圍巖變形特征等，將影響巷道變形破壞的因素歸結為以下2 個方面：①地質因素，15111 回風順槽淺部圍巖以泥巖、炭質泥巖等為主，存在有承載能力差、強度低等點，同時煤層基本頂（K2 灰巖）具有裂隙發育、充填有砂質泥巖，巷道圍巖遇水后會進一步降低其強度；現場觀測發現巷道圍巖中裂隙發育，整體性及完整性較差。②開采因素，采動壓力影響下巷道原有應力平衡狀態遭受破壞，導致圍巖中塑性區進一步擴展，原支護體系錨固端不再處于塑性區之外，導致圍巖變形量進一步增加；頂板淺部巖體受較大的拉應力影響，局部出現破斷垮落情況。

3 切頂卸壓技術應用

依據15111 回風順槽圍巖變形特點及圍巖變形主控因素分析結果并針對巷道原有錨索支護強度低、無法控制巷道圍巖變形等問題，提出采用切頂卸壓+恒阻大變形錨索控制圍巖，通過切頂卸壓后在頂板局部范圍內切斷應力傳遞路徑，降低巷道圍巖應力集中程度，以便保護巷道頂板完整性；通過恒阻大變形錨索強化圍巖支護，進一步控制頂板下沉量，充分發揮巷道圍巖自身承載能力，確保巷道斷面滿足使用需要。

3.1 切頂卸壓參數

切頂卸壓護巷關鍵需要確定合理的切頂參數，采用理論計算以及工程規范兩個方面合理確定切頂鉆孔技術參數[7-9]。

（1）理論計算。理論計算依據相關學者提出的碎脹系數切縫計算公式確定，具體表達式為：

式中：H縫——切頂鉆孔切頂高度，m；

H采高——采面開采高度，取3.15m；

ΔH1——頂板下沉量，0.06m；

ΔH2——底板底鼓量，0.05m；

k——破碎巖體碎脹系數，取1.4。

將上述參數帶入公式（1）即求得H縫=7.6m。

（2）依據相關工程規范，確定H縫≥2.6H采高。采面采高為3.15m，則切縫高度應在8.2m 以上。綜合考慮確切頂鉆孔切頂高度為8.2m。

依據15111回風順槽現場情況，將切頂鉆孔布置在與頂板距采面幫200mm位置且向采面幫有10°傾斜角，切頂鉆孔沿著巷道走向布置，鉆孔間距均為800mm，切縫深度統一為8.2m。

3.2 恒阻大變形錨索支護

采用恒阻大變形錨索補強支護，可起到承受圍巖大變形目的，而且可吸圍巖變形釋放的能量。具體在巷道內恒阻大變形錨索布置情況如圖3所示。恒阻大變形錨索一排布置3 根，布置間排為1200mm、排距為800mm。在靠近切頂鉆孔位置布置恒阻大變形錨索可減少切頂爆破對頂板影響，降低頂板下沉量。

圖3 恒阻大變形錨索布置示意圖

3.3 現場應用效果

在15111回風順槽進行切頂卸壓后，布置測站持續監測巷道圍巖變形情況，具體監測結果如圖4所示。

圖4 巷道圍巖變形監測曲線

通過切頂卸壓切斷了巷道頂板應力傳遞路徑，從而降低采動壓力對巷道圍巖變形影響、降低巷道圍巖應力集中程度；同時通過恒阻大變形錨索對頂板進行補強，進一步發揮巷道直接頂（K2灰巖）自身承載能力，減少巖層離層量及變形量。現場應用后，15111回風順槽圍巖變形量在切頂、補強支護后75d基本趨于穩定，其中頂板下沉、兩幫位移量分別穩定在103mm、82mm，圍巖變形量整體較小，表明現場確定的切頂卸壓技術參數以及恒阻大變形錨索布置參數等較為合理，采用的支護技術在控制動壓巷道圍巖變形方面取得較好效果。

4 總結

（1）15111 回風順槽圍巖變形呈現出頂板下沉量大、底鼓嚴重等問題，綜合分析導致巷道變形量大的主控因素包括有地質因素、開采因素。地質因素是巷道淺部圍巖以泥巖、炭質泥巖等為主，承載能力差、強度低，基本頂（K2 灰巖）具有裂隙發育、整體性及完整性較差；開采因素是采動壓力導致圍巖中塑性區擴展，原支護體系錨固端不再處于塑性區之外，導致圍巖變形量進一步增加，頂板淺部巖體受較大的拉應力影響，局部出現破斷垮落情況。

（2）基于15111 回風順槽現場情況，綜合使用切頂卸壓+恒阻大變形錨索控制圍巖變形，通過切頂卸壓降低回風順槽圍巖應力集中程度，恒阻大變形錨索補強支護提高頂板下沉量及離層量。現場應用后，15111回風順槽圍巖變形量大問題得以較好解決，巷道頂板下沉、兩幫位移量分別穩定在103mm、82mm，基本不出現底鼓情況，可滿足巷道后續使用需要。