深井高地應力動壓巷道變形特征及切頂護巷技術研究

張建樂，張廣杰

（1.河南明德礦山技術開發(fā)有限公司，河南 焦作 454003；2.河南理工大學河南理工產(chǎn)業(yè)技術研究院，河南 焦作 454003）

0 引言

隨著煤礦開采技術的快速發(fā)展，開采條件從淺部發(fā)展至深部，其巷道將會處于特殊復雜的應力環(huán)境中，尤其是動壓影響區(qū)域巷道圍巖完整性較差[1]。煤礦開采深度逐年向深部延伸，其所處地質(zhì)條件復雜程度加大，巷道支護比較困難，尤其是動壓巷道再經(jīng)受多次回采動壓影響后治理更加困難[2-3]。

針對深井動壓巷道破壞發(fā)生機制及其控制技術方面，諸多科研工作者作了不少的研究工作。康紅普等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)，高強預應力強力錨索的預應力對主動支護非常關鍵，并提出高壓錨注-噴漿協(xié)同控制技術。王連國等[5]通過構(gòu)建非等壓時巷道破壞力學模型，揭示了動壓軟巖巷道破壞機理，提出采用錨網(wǎng)索、錨注聯(lián)合支護技術，現(xiàn)場試驗效果良好；許興亮等基于綜合手段研究分析了曹村礦水平大巷變形破壞特征，提出軟巖大巷圍巖控制思路，現(xiàn)場應運后有效治理了大巷變形問題。陳曉祥等[6]基于綜放回采巷道受動壓影響后發(fā)生破壞的主因是其幫部圍巖塑性區(qū)出現(xiàn)剪切滑移面滑移破壞，應主動對該區(qū)域進行加固處理，提出“攜頂?shù)祝貎蓭汀敝ёo思路。郭志彪等[7]針對千米深井動壓巷道現(xiàn)場破壞狀況，找出了其變形的關鍵原因，采用卸壓及恒阻錨索支護技術在場應運后明顯改善了巷道變形。基于控制圍巖變形的問題，許多科研工作者通常利用增加支護密度和支護強度以及多種方式聯(lián)合支護的方式抑制巷道變形。但因不同礦區(qū)生產(chǎn)地質(zhì)條件差異性較大，尤其是深部巷道自身條件也較差造成深部動壓回采巷道失穩(wěn)及控制問題仍需深入研究實踐。而針對大埋深、高瓦斯礦井，煤層較軟且其頂板堅硬，大煤柱條件下沿空巷道變形機理及防治措施研究較少，本文針對保安煤礦以往大煤柱巷道（煤柱寬度44 m）在臨近工作面回采后，巷道頂板破碎且下沉量大，幫鼓和底鼓十分嚴重，在本工作面回采前需重新返修后才能使用的問題，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研和巷道礦壓總結(jié)結(jié)果，理論分析了動壓巷道破壞特征，根據(jù)其變形破壞的關鍵因素，提出以切頂卸壓的手段進行治理，為大埋深動壓巷道的圍巖控制提供技術借鑒。

1 工程背景

保安煤礦15110（全文簡稱15110）工作面開采15 號煤層，15110 進風順槽中部的I-3 號勘探鉆孔揭露15 號煤層厚度為3.43 m。15110 工作面巷道掘進時揭露煤層厚度3.2～4.65 m，平均4.07 m，煤層傾角0°～10°。本工作面煤層穩(wěn)定可采，煤層普氏系數(shù)0.67。本工作面埋深在763～884 m 之間，其地溫在28～31 ℃，采用一次采全高綜采的采煤方式（見圖1）。

圖1 工作面布置示意圖

深井高地應力動壓回采巷道破壞受其地質(zhì)力學環(huán)境影響較大。該礦工作面埋深大，地應力大，還受工作面采動的劇烈影響，且雙巷掘進時煤柱寬度高達44 m，臨近工作面回采后，大煤柱巷道圍巖變形破壞十分嚴重，返修工程量大，本工作面回采期間大煤柱巷道仍然變形嚴重，嚴重影響工作面的正常生產(chǎn)。因此，通過研究深井高地應力動壓巷道大變形的關鍵因素，找出合理有效的治理手段。

2 動壓巷道變形破壞特征

2.1 動壓巷道破壞現(xiàn)狀分析

15110 進風順槽煤柱寬度44 m，15108 工作面回采過后，底鼓量高達1 m，兩幫移近量達1.5 m，頂板出現(xiàn)明顯的破裂的現(xiàn)象且下沉量約0.5 m。其破壞嚴重區(qū)域已影響巷道的正常使用。由于修巷期間最為困難的工作面就是擴幫，因此，頂板下沉和幫鼓是動壓巷道治理關鍵部位，也是深部動壓巷道控制的難點。大煤柱巷道變形素描如圖2 所示。

圖2 大煤柱巷道礦壓顯現(xiàn)特征及擴修斷面圖

現(xiàn)場觀測時發(fā)現(xiàn)擴修期間原施工的錨索和錨桿有破斷顯現(xiàn)，檢查斷口情況發(fā)現(xiàn)，斷口附近桿體有明顯變形，有“S”型和“L”型，錨索斷裂處大部分成劈裂狀，分析錨桿和錨索在受拉應力的同時因承受較大剪應力導致斷裂。根據(jù)其礦壓顯現(xiàn)特征初步判斷巷道在一次開挖支護時錨桿（索）的預應力不合適導致圍巖受壓后產(chǎn)生水平位移導致錨桿（索）承受剪應力增加，在綜合作用下導致錨桿（索）破斷進而整個支護體系失效，巷道劇烈變形影響安全生產(chǎn)。

2.2 動壓巷道破壞主因分析

巷道破壞的關鍵是其地質(zhì)條件、圍巖賦存環(huán)境以及施工條件等綜合影響的結(jié)果。巷道變形破壞主要受地質(zhì)、開采因素影響較大，一是地質(zhì)方面，如保安礦15 號煤層埋深已達800 m，巷道所處的地應力環(huán)境較高，幫部煤層硬度系數(shù)僅為0.67，底板為泥巖，導致巷道圍巖承載能力弱、巖性較差、強度較低，以及底板遇水后造成圍巖強度更弱；通過現(xiàn)場對頂板及幫部窺視發(fā)現(xiàn)，裂隙較多，完整性不好。因此，巷道圍巖塑性區(qū)范圍較大，自穩(wěn)能力較差，巷道受力受由頂板轉(zhuǎn)移至幫底，加大了幫鼓和底鼓，進而造成巷道破壞嚴重。二是開采方面，由于保安礦15 號煤層所處埋深較大，工作面開采后采動壓力較大，巷道圍巖受力較大，引起塑性區(qū)進一步擴展，超出原支護的控制區(qū)域，進而造成支護失效。另外，由于該礦回采巷道煤柱寬度44 m，本身就處于高地應力范圍，進一步造成巷道大變形。

3 切頂護巷技術研究

3.1 切頂卸壓護巷技術原理（見圖3）

基于以切斷基本頂為主的切頂護巷技術基本原理：工作面回采之前，超前一定距離內(nèi)，采用爆破、水力切割或密集鉆孔等手段弱化采空區(qū)、煤柱上覆基本頂之間的應力聯(lián)系，待工作面回采之后，避免煤柱幫上方頂板出現(xiàn)“O-X”破斷情況，使采空區(qū)側(cè)老頂回轉(zhuǎn)下沉、破斷、垮塌時降低對煤柱的作用，還可削弱側(cè)向壓力峰值并使其向深部轉(zhuǎn)移。

切頂后不但增加頂板碎脹系數(shù)，碎脹程度也比自然垮落的大，進一步充實了采空區(qū)，提高上覆巖層的承載能力，降低對臨空巷道的影響；還使采空區(qū)懸頂長度減小，避免應力三角區(qū)的存在。鑒于巖石垮塌后的體積變大，老頂垮塌后的碎脹系數(shù)通常是1.3～1.5，堆積高度比原頂部垮落巖石高度大。而影響碎脹系數(shù)的關鍵則是巖石垮塌后塊體大小及排列狀態(tài)。因此，切頂主要目的是使頂板巖石易于垮塌、塊體大小適宜，使碎脹系數(shù)變大，切頂高度是否合理對采空區(qū)垮落矸石能否填實采空區(qū)起到關鍵作用，進一步使覆巖活動降低臨空巷道受采動影響。

3.2 切頂卸壓數(shù)值模擬分析

3.2.1 建立模型

根據(jù)15110 工作面所處的地質(zhì)條件，采用FLAC3D模擬軟件構(gòu)建數(shù)值模型，其尺寸為400 m×180 m，底部固定豎向位移，兩邊固定橫向位移。模型上邊界賦予18.5 MPa 的垂直應力表示礦井實際的埋深壓力。通過模擬不同切頂高度（不切時、切斷K2 石灰?guī)r及其上方砂質(zhì)泥巖層位時即10 m、切斷K2 石灰?guī)r及其上方泥質(zhì)粉砂巖層位時即12 m、切斷K2 石灰?guī)r及其上方K2 上石灰?guī)r層位時即15 m、繼續(xù)增加切頂高度即18 m、20 m）條件下的應力分布情況，并對其應力位移分布情況進行對比分析，研究不同切頂高度下巷道變形情況，從而為合理的切頂高度選取提供參考依據(jù)。

3.2.2 不同切頂高度時模擬結(jié)果分析

在不同切頂高度條件下采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布云圖如圖4 所示。

圖4 切頂高度不同時應力分布

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知：

1）5110 采空區(qū)趨于穩(wěn)定狀態(tài)后，采空區(qū)側(cè)向煤巖體內(nèi)部一定區(qū)域內(nèi)形成應力集中，而在采空區(qū)邊緣一定區(qū)域內(nèi)形成應力降低區(qū)。

2）切頂10 m 時側(cè)向支承壓力減弱，應力峰值向煤柱側(cè)移動，側(cè)向應力集中有所改善，底抽巷應力條件有一定的緩解；由于15 號煤層頂部的堅硬頂板厚度為13 m，煤層頂部的堅硬巖層沒有完全被切斷，理論上仍存在3 m 的堅硬頂板可以傳遞應力。

3）切頂12 m 時堅硬頂板仍未完全切斷，應力集中現(xiàn)象依然存在，但較之前應力條件已經(jīng)有大幅度改善。底抽巷所處的應力環(huán)境有明顯的改善，巷道變形得到一定的緩解，變化量減少。

4）切頂15 m 后，上覆堅硬巖層被完全切斷，應力集中基本消除，改善了應力環(huán)境，相應的對底抽巷的壓力也有很大程度上的減小。從側(cè)向支承壓力圖5 中可以看出，側(cè)向支承壓力峰值顯著下降，應力集中現(xiàn)象基本能消失，說明切頂對改善巷道周邊的應力環(huán)境具有顯著作用。根據(jù)對底抽巷的觀測可以看到，巷道變形量得到明顯的控制，幫部變形及底鼓量大幅度緩解。

圖5 不同切頂高度時側(cè)向支承壓力分布曲線

5）為了得出合理的切頂高度，繼續(xù)增加切頂高度來進行對比分析是十分必要的。切頂高度為18 m，此時切頂?shù)母叨纫呀?jīng)超過了15 號煤層頂部堅硬的巖層高度，同樣切斷了堅硬頂板的應力傳遞效應，理論上將更好的改善底抽巷的巷道應力環(huán)境，此時的巷道變形量及周邊應力環(huán)境與切頂15 m 相差不大。

6）如果切頂高度為20 m，此時切頂?shù)母叨葘⑦h遠超出15 號煤層頂部堅硬的巖層高度。理論上可以更好的切斷堅硬頂板的應力傳遞效應，改善沿空留巷的巷道應力環(huán)境。從圖6 中可以看出，在切頂高度為10 m 的情況下，巷道應力在鄰近采空區(qū)一側(cè)同樣有卸壓效應。巷道變形量和應力環(huán)境與切頂18 m基本一致。

圖6 不同切頂高度時底抽變形情況

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，切頂10 m、12 m 時，煤層上覆堅硬巖層未被完全切斷，采空區(qū)側(cè)一定距離內(nèi)仍存在應力集中，但巷道變形量有所降低，說明切頂對改善應力環(huán)境的起到一定的作用，對控制巷道變形有利。切頂高度15 m 后，上覆堅硬巖層被完全切斷，采空區(qū)側(cè)應力傳遞被切斷，消除了應力集中，巷道變形量及應力環(huán)境得到明顯改善，達到切頂卸壓的目的。基于切頂效果、經(jīng)濟投入及施工等綜合因素，認為切頂15 m 時較為合理且能夠達到預期效果。

3.3 切頂卸壓關鍵參數(shù)確定

3.3.1 切頂孔位置S

切頂孔位置S 是鉆孔開孔距煤幫側(cè)的距離。結(jié)合工程經(jīng)驗，S 越小切頂效果越好，鑒于現(xiàn)場施工環(huán)境及切頂鉆機的實際狀況，確定S 為1.0 m，確保切頂孔在同一方向上。

3.3.2 鉆孔傾角α、β

鉆孔傾角也應考慮要考慮現(xiàn)場施工環(huán)境及切頂鉆機的實際狀況，以及裝藥、切頂后基本頂懸露長度、切頂效果等綜合因素，確定鉆孔傾角向工作面切眼、回采側(cè)方向傾斜，即α=75°，β=85°。

3.3.3 鉆孔深度H

對臨空巷道起到關鍵作用的時采空區(qū)側(cè)向支承壓力的分布狀況，而采空區(qū)頂板三角區(qū)域的殘留邊界是對側(cè)向支承壓力分布起到關鍵作用的，此殘留邊界主要在采空區(qū)上覆基本頂內(nèi)。所以切頂護巷的切頂高度H0就是煤層上覆基本頂上邊界。根據(jù)圖7 可知，15110 回風順槽基本頂為K2上石灰?guī)r，因此切縫高度H0確定為K2上石灰?guī)r上邊界。

圖7 爆破鉆孔相關參數(shù)示意圖（單位：mm）

鉆孔深度H 可通過如下公式計算：

式中：H0為巷道頂板到超過K2上石灰?guī)r上邊界，取15.02 m；α 為在巷道中線剖面圖中，鉆孔與水平方向的夾角，取75°；β 為在巷道斷面圖中，鉆孔與豎直方向的夾角，取85°；c 為超過K2上石灰?guī)r上邊界距離，取1 m。

根據(jù)式（1）計算并結(jié)合現(xiàn)場實際鉆孔深度H 取16 m。

3.3.4 鉆孔直徑d 和鉆孔間距l(xiāng)

同樣根據(jù)切頂鉆機的實際狀況、切頂效果、施工工程量等因素，確定鉆孔直徑d 為65 mm，鉆孔間距l(xiāng)為2.0 m。

3.3.5 爆破參數(shù)

采用2 m 長、Φ48 mm 的O 型聚能管來控制預裂切縫面的形成。采用Φ35 mm，長200 mm、質(zhì)量200 g的礦用三級乳化炸藥。根據(jù)規(guī)定，爆破孔封孔長度不低于孔深的1/3。結(jié)合15110 回風順槽頂板巖性，單孔裝藥密度取0.8 kg/m3，確定單孔裝藥量確定為9 kg。電雷管正向裝藥，孔內(nèi)雷管并聯(lián)連接，孔間串聯(lián)連接。采用黃土炮泥封孔，每次爆破1～3 個炮孔。

3.4 補強支護方案

巷道頂板超前爆破后受爆破應力波的擾動，原支護可能出現(xiàn)松動甚至失效的情況，造成巷道頂板離層、下沉等問題，為預防此情況的發(fā)生，需對原支護進行檢驗并加強頂板支護。因此，基于15110 回風順槽實際狀況，采用“走向單體液壓支柱抬棚”對頂板進行補強支護；采用3.2 m 長的π 型梁，“一梁四柱”布置，單體柱間距0.8 m，走向抬棚距離巷道煤柱幫1 m，如圖7 所示。

4 試驗效果分析

為了掌握切頂后15112 進風順槽圍巖活動規(guī)律及其切頂后膠帶巷效果，采用十字布點法對巷道兩幫、頂?shù)装逡平鼱顩r進行觀測。典型測點結(jié)果如圖8所示。工作面回采過后，15112 進風順槽測點距15110工作面40～120 m 時巷道變形最大，隨后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装逡平考s1.1 m，主要是底鼓量較大，與以往巷道變形相比降低了45%；兩幫移近量約380 mm，與以往巷道變形相比降低了85%；巷道變形得以有效控制，后期巷道再次使用前只需進行起底，返修工程量大幅降低。

圖8 典型測點圍巖變形曲線圖

5 結(jié)論

1）通過分析保安煤礦的地質(zhì)開采條件發(fā)現(xiàn)，深部動壓巷道圍巖變形破壞主要受埋深大、地應力高、圍巖以煤層、泥巖為主承載力低等地質(zhì)因素，強開采動壓、煤柱寬度過大等開采因素影響較大。

2）基于現(xiàn)場情況，提出以切頂基本頂為主的切頂卸壓技術。數(shù)值結(jié)果表明，切斷15 號煤層上方K2上石灰?guī)r可有效改善臨空巷道圍巖應力環(huán)境，能夠有效地控制深井高地應力動壓圍巖變形。

3）現(xiàn)場試驗后，待15110 工作面回采過后，15112進風順槽頂?shù)装逡平考s1.1 m，主要是底鼓量較大，與以往巷道變形相比降低了45%；兩幫移近量約380 mm，與以往巷道變形相比降低了85%；且采空區(qū)動壓劇烈影響范圍滯后工作面40～120 m 左右。同時滿足了礦井安全高效生產(chǎn)及其使用的要求。