采動應(yīng)力影響煤巷水力切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用

候 波

（晉煤集團(tuán)質(zhì)監(jiān)站，山西 晉城 048006）

1 概述

寺河煤礦東井區(qū)屬于高瓦斯礦井，主采3 號煤，東五盤區(qū)煤層平均厚度為6.0 m， 煤層傾角平均6°，采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法。東翼四條集中巷位于5303 和5304 兩個工作面之間，埋深320～350 m，均為東西向布置，與工作面回采方向平行。由南往北分別為53033 巷、回風(fēng)二巷（煤巷）、回風(fēng)一巷（巖巷）、輔助運輸巷（煤巷）、膠帶運輸巷（煤巷）。如圖1 所示。

回風(fēng)二巷設(shè)計長度為2100 m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=5.0×3.8 m 的矩形斷面，施工巷道沿3#煤層底板掘進(jìn)，頂板留有2.4 m 頂煤。回風(fēng)二巷主要擔(dān)負(fù)著整個東五盤區(qū)回風(fēng)任務(wù)。該巷道與東五盤區(qū)其它集中大巷以及5033 巷煤柱間距為35 m。由于受5303 工作面采動影響，回風(fēng)二巷工作面?zhèn)让罕诔霈F(xiàn)片幫、巷幫移近、頂板下沉等現(xiàn)象。通過圍巖監(jiān)測發(fā)現(xiàn)最大移近量為1.038 m，頂板最大下沉量為0.497 m，最大底鼓量為1.211 m，導(dǎo)致回風(fēng)二巷成型效果差，威脅著巷道安全運輸。

圖1 回風(fēng)二巷平面布置示意圖

2 回風(fēng)二巷圍巖受力特點分析

（1）工作面強(qiáng)烈采動影響。回風(fēng)二巷圍巖為煤體，與5303 工作面間距為35 m，且與5303 工作面推進(jìn)方向平行布置，工作面在回采過程中的采動應(yīng)力及周期來壓應(yīng)力通過煤層傳遞作用，對回風(fēng)二巷工作面?zhèn)让罕谟绊戄^大，巷道兩幫及頂板圍巖分別產(chǎn)生垂直剪切應(yīng)力，導(dǎo)致回風(fēng)二巷巷幫及頂板出現(xiàn)變形、破碎現(xiàn)象。

（2）動壓影響時間長。回風(fēng)二巷分別與5303、5304 工作面平行布置，5303 工作面回采結(jié)束后繼續(xù)回采5304 工作面，導(dǎo)致回風(fēng)二巷受回采工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊憰r間長，巷道在持續(xù)壓力作用下圍巖穩(wěn)定性差。

（3）服務(wù)周期長。由于回風(fēng)二巷服務(wù)于整個盤區(qū)回風(fēng)任務(wù)，5303、5304 工作面回采后回風(fēng)二巷兩側(cè)均為采空區(qū)，受采空區(qū)殘余應(yīng)力影響，回風(fēng)二巷處于應(yīng)力卸壓區(qū)，巷道內(nèi)產(chǎn)生卸壓空間，加劇巷道頂板受采空區(qū)殘余集中應(yīng)力破壞作用，留巷難度大。

（4）護(hù)巷煤柱尺寸較小。回風(fēng)二巷與53033巷之間凈煤柱35 m，回風(fēng)一巷布置在回風(fēng)二巷與輔助運輸巷之間30 m 凈煤柱頂板巖層中，與兩巷的平距分別為10 m 和15 m。輔助運輸巷與膠帶巷之間凈煤柱15 m。巷道密集且巷間煤柱尺寸小，應(yīng)力集中程度高，回風(fēng)二巷留巷難度非常大。

3 水力切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用分析

為了保證回風(fēng)二巷能夠長期為東五盤區(qū)其它工作面服務(wù)，提高巷道圍巖穩(wěn)定性，決定通過在53033 巷進(jìn)行切頂卸壓施工，切斷集中應(yīng)力對回風(fēng)二巷的影響。

3.1 水力切頂卸壓技術(shù)原理

水力切頂卸壓技術(shù)主要是在工作面回采前，采用專用鉆具及開槽鉆頭在頂板施工鉆孔并進(jìn)行橫向切槽。鉆孔施工完后對鉆孔進(jìn)行封孔處理，然后對鉆孔進(jìn)行高壓注水施工，使切槽端產(chǎn)生裂隙并沿指定方向進(jìn)行擴(kuò)展，從而使上覆巖層中產(chǎn)生“預(yù)破裂隙面”。當(dāng)工作面回采時超前側(cè)向應(yīng)力傳遞至卸壓孔處時進(jìn)行卸壓作業(yè)，阻止應(yīng)力傳遞。回采后采空區(qū)頂板沿“預(yù)破裂隙面”進(jìn)行斷裂垮落，減少懸臂梁的跨距，從而有效改善了留巷段應(yīng)力狀態(tài)，降低了留巷段破碎、變形、片幫等現(xiàn)象。如圖2 所示。

3.2 水力切頂卸壓施工工藝

（1）53033 巷內(nèi)水力切頂卸壓鉆孔采用雙側(cè)布置方式。第一排鉆孔布置在53033 巷位于回風(fēng)二巷側(cè)巷幫煤壁上，鉆孔深度為40 m，鉆孔間距為10 m，鉆孔傾角為60°；第二排鉆孔施工在巷道頂板上，距煤柱側(cè)幫間距為2.0 m，鉆孔深度為32 m，鉆孔間距為10 m，鉆孔傾角為70°。如圖3 所示。

（2）采用CMQ1-1200/30 型單臂煤礦用切頂卸壓鉆機(jī)配套KZ54 型切槽鉆頭進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔直徑為56 mm。鉆孔施工完后，鉆孔孔口處安裝一個跨式膨脹型封隔器。

（3）鉆孔施工完后，采用3ZSB80/62-90 型高壓水泵對鉆孔進(jìn)行注水壓裂施工。在注水壓裂時先對高壓水泵通水再通電，并慢慢加壓，當(dāng)壓力增加至5 MPa 時頂板預(yù)裂縫開裂。單孔注壓時間應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場鉆孔成型及頂板巖性確定。正常情況下單孔注水時間控制在30 min 左右，從而保證注水壓裂后，鉆孔終孔位置能夠形成連續(xù)的橫向裂紋。當(dāng)鉆孔有水滲出時，立即停止注水。

圖2 水力切頂卸壓技術(shù)施工示意圖

圖3 水力切頂卸壓鉆孔斷面、平面布置示意圖

3.3 實際應(yīng)用效果分析

為了分析水力切頂卸壓技術(shù)對回風(fēng)二巷圍巖穩(wěn)定性影響，在回風(fēng)二巷位于5303 工作面?zhèn)确謩e設(shè)兩個測站，在測站內(nèi)安裝圍巖變形監(jiān)測裝置。其中1#測站布置在非卸壓區(qū)，2#測站布置在卸壓區(qū)。通過圍巖變形觀察發(fā)現(xiàn)：采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)后，回風(fēng)二巷巷道變形現(xiàn)象得到了有效控制，兩幫最大移進(jìn)量降低至692 mm，降低了33.4%；頂板最大下沉量降低至217 mm，降低了66.4%；底鼓量降低至652 mm，降低了45.8%。如表1 所示。

表1 水力切頂卸壓施工前后回風(fēng)二巷道表面位移對照表

4 結(jié)束語

（1）5303 工作面在回采期間對回風(fēng)二巷未采取卸壓技術(shù)時，采動應(yīng)力主要集中在回采巷道周圍巖體，分布范圍廣,應(yīng)力集中程度高，應(yīng)力和圍巖傳遞作用對回風(fēng)二巷影響較大。

（2）采取水力切頂卸壓技術(shù)后，由于工作面在回采中頂板垮落相對較充分，減少了懸臂梁的影響，縮小了回采應(yīng)力影響范圍，回采應(yīng)力傳遞至水力切頂卸壓帶時得到了充分釋放，阻止了應(yīng)力向回風(fēng)二巷傳遞作用，避免回采應(yīng)力對回風(fēng)二巷破壞作用。

（3）水力切頂卸壓技術(shù)可有效阻止工作面回采產(chǎn)生的殘余和超前支承應(yīng)力的傳遞范圍，使應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深處，調(diào)動圍巖深部的承載能力，改善留巷的受力環(huán)境。