特厚煤層開采強動壓巷道圍巖綜合控制法

［摘 要］針對煤礦特厚煤層強烈動壓巷道圍巖控制難題，內蒙古蒙泰不連溝煤業有限責任公司基于多手段聯合控制理念，綜合采用現場實測、理論計算、數值模擬、現場試驗等手段，深入研究和實證分析特厚煤層開采強動壓作用機制和巷道變形破壞機理，對錨桿支護強化與水力壓裂應力轉移機理開創性地實施特厚煤層強動壓巷道綜合控制法，形成了適用于特厚煤層開采的巷道安全控制技術體系，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

［關鍵詞］煤層開采；強烈動壓；巷道圍巖；綜合控制

一、實施背景

隨著時代發展、科技精進及煤礦開采實踐與理論的辯證發展，煤礦巷道圍巖工程控制理論研究取得長足進步，支護形式也隨之發生了重大的變化。

支護理念由被動轉為主動，巷道的支護逐漸由低預應力低強度錨桿支護，向高預應力高強度高剛度錨桿錨索支護轉化。

然而，巷道圍巖工程控制效果如何，不僅取決于支護形式的選擇，還受巷道所處的地質條件、巷道圍巖應力狀態等方面的制約。應用好錨桿、錨索這種先進、經濟的支護方式，無疑具有理論研究意義和較大的實用價值。

內蒙古蒙泰不連溝煤業有限責任公司（簡稱“不連溝煤礦”）主采6號煤層，平均厚度達到16m，礦井大巷及回采順槽均在煤層中布置，為全煤巷道，沿底板掘進。

不連溝煤礦分為東西兩翼開采，井田為東西向單翼向斜發育，自東向西埋深逐漸增加。

由于巷道埋藏深度的變化及受不同程度的采動影響，東翼采區運輸順槽過度支護，工作面回采后頂板往往不能及時垮落造成懸頂安全隱患，輔運順槽受兩次動壓影響巷道變形破壞嚴重。

西翼采區巷道支護難度遠大于東翼采區，采區埋深加大，且巷道支護強度不足，巷道受強烈采動影響后輔運順槽兩幫嚴重移近、劇烈底鼓，錨桿、錨索發生破斷，采取的二次補強支護措施并沒有達到預期的圍巖控制效果，還增加了巷道支護成本。

因此，亟須對巷道支護技術進行系統研究及優化。重點針對不同地質條件和用途的巷道，提出合理的支護方法，保證巷道安全使用，避免一次動壓影響巷道的過度支護，降低支護成本，提高掘進速度。同時，對受二次動壓影響的巷道提出優化設計，力爭一次支護，盡量減小巷道返修量，保證礦井的正常采掘銜接。

二、研究內容

（一）機理和體系

本項目針對不連溝煤礦特厚煤層強烈動壓巷道圍巖控制難題，基于多手段聯合控制理念，綜合采用現場實測、理論計算、數值模擬、現場試驗等手段，研究特厚煤層開采強動壓作用機制和巷道變形破壞機理，對錨桿支護強化與水力壓裂應力轉移機理進行分析，提出特厚煤層強動壓巷道綜合控制法，建立不連溝煤礦特厚煤層強動壓巷道安全控制體系。

（二）技術方案

1. 基礎力學測試

在不連溝煤礦進行特厚煤層巷道地質力學與支護系統基礎力學測試。通過原位地質力學參數測試，詳細測試圍巖地應力、強度、結構特征。針對不連溝煤礦特厚煤層巷道圍巖條件，對錨桿支護方式、支護結構、支護參數、支護材料等進行優化分析，優化預緊力參數和支護構件，為特厚煤層強烈動壓巷道多手段綜合控制技術研究提供基礎參數支撐。

（1）巷道圍巖地質力學測試得出，不連溝煤礦井下地應力場類型東翼采區為σHgt;σvgt;σh型應力場，西翼采區為σHgt;σhgt;σv型應力場。煤層的強度約為21MPa，強度中等，直接頂強度在38～42MPa，強度較高。煤層未受強采動影響前完整性較好，受強采動影響后淺部煤體出現大量裂隙，形成結構擴容。（如表1、圖1、圖2所示）

（2）根據不連溝煤礦支護材料力學性能實驗室試驗結果和數據，包括錨桿桿體力學抗拉性能測試、錨索索體力學抗拉性能測試等，分析現有支護材料的力學性能，對支護材料進行優選。

（3）在不連溝煤礦東翼采區和西翼采區進行了錨桿扭矩-預緊力轉化試驗，分別測試扭矩為不同預緊扭矩量級時轉化形成的錨桿桿體預緊力數值。針對不連溝煤礦井下使用的錨索材料和張拉設備，對錨索進行預緊力損失試驗，測試不同錨索規格在不同初始張拉力下的實際預緊力損失率，通過分析比較得出錨索預緊力實際損失規律。通過測試與模擬研究，確定適用于特厚煤層強動壓巷道圍巖控制合理的錨桿錨索預緊力設計值。

2. 變形機理分析

研究得出了特厚煤層強動壓巷道變形破壞機理，理論分析了特厚煤層綜放開采工作面覆巖結構特征，對頂板破斷結構進行了判定，計算分析了頂板結構尺寸特征。采用現場和數值模擬結合的方法，對不連溝煤礦主要類型的特厚煤層強動壓巷道變形破壞特征進行了分析。總結特厚煤層動壓巷道變形機理分析，并提出控制思路。

（1）基于不連溝煤礦特厚煤層綜放開采條件，理論計算分析得出：工作面下部煤體采出后綜放面老頂將會破斷并與相鄰塊體鉸接形成懸臂結構。計算得出側向巖塊長度和厚度較大，工作面開采后關鍵塊回轉空間大，下沉到穩定所需要時間長。（如圖3所示）

（2）分析得出特厚煤層開采強動壓巷道變形破壞特征。采用現場監測結合數值模擬分析了特厚煤層工作面二次動壓巷道變形與應力分布特征，分析得出末采期間預掘主回撤通道圍巖變形趨勢，主要分為三個階段，即不受采動影響階段、采動影響階段和劇烈采動影響階段。（如圖4、圖5、圖6所示）

（3）提出特厚煤層強烈動壓巷道變形控制思路，錨桿強化支護方面采用錨桿索強力支護技術，提高錨桿索預緊力，增大其支護強度與護表剛度，控制圍巖非連續性變形，提高圍巖自身承載能力。引入水力壓裂卸壓技術，將頂板關鍵層區域內的懸頂結構壓裂，弱化其完整性，減小懸頂尺度，降低懸頂附加應力作用。采用注漿改性提高煤柱煤體完整性與強度，提高承載能力。（如圖7所示）

3. 綜合控制技術

提出了錨桿支護強化、煤柱注漿改性和水力壓裂卸壓應力轉移為一體的，特厚煤層二次動壓巷道綜合控制技術。通過提高支護強度和剛度增強圍巖自身承載力，通過水力壓裂卸壓轉移巷道和煤柱應力峰值，通過煤柱注漿改性限制內移并減少對頂板的壓擠效應，三位一體協同發揮控制作用。

（1）數值模擬了特厚煤層工作面采動與二次動壓巷道應力分布狀況，采用極限平衡理論計算錨桿支護參數。采用高強度支護錨桿、錨索支護材料，優化錨桿索支護組合構件，實現高預應力及其有效擴散，提高支護系統剛度，構建錨桿支護強化系統。

（2）分析了強動壓巷道水力壓裂應力轉移作用機理，采用水力壓裂技術提前對鄰近工作面端頭區域頂板預裂，破壞其完整性，使其在回采后能夠分層次、緩和地垮落，避免集中垮落形成強礦壓，減輕或轉移作用在二次動壓巷道的高應力，達到卸壓目的。（如圖8所示）

（3）對煤柱進行注漿改性，水泥-水玻璃復合漿液在煤柱裂隙區域形成類巖石礦物，提高巖-漿界面膠結強度，促成裂隙煤柱結構重塑，最終形成煤柱改性作用，強化煤柱承載能力。（如圖9所示）

（4）綜合以上技術優化，形成特厚煤層二次動壓巷道強支-卸壓- 改性控制技術。（如圖10 所示）

4. 錨- 梁- 注綜合控制技術

針對特厚煤層預掘回撤通道提出錨- 梁-注綜合控制技術。通過錨桿索支護實現強力護表，通過長錨索配合剛性工字鋼梁，形成具有強托頂能力的錨吊梁結構。通過對兩幫進行注漿加固，增強幫部煤體完整性，加強煤體承載能力。

（三）技術總結

基于主回撤通道原有支護設計對錨桿索支護進行強化，提高錨桿索強度和支護剛度，實現錨桿索支護強力護表，加長錨索長度實現高位頂煤破壞區的控制。（如圖11 所示）

錨桿索支護后架設垛式支架前，采用錨吊梁支護將錨桿索支護形成的淺部承載體錨固到深部穩定巖層中，并通過長錨索壓緊雙工字鋼梁對頂板形成強力托頂構件，使得工作面回撤時頂板在垛式支架撤出后，也能有效發揮托頂作用。（如圖12 所示）

基于主回撤通道幫部破壞嚴重的情況，采用注漿加固方式進行幫部煤體強化，注漿工作在主回撤通道距離工作面100m前完成。（如圖13 所示）

（四）學術貢獻

通過本項目研究工作，形成了適用于不連溝煤礦特厚煤層開采的巷道安全控制技術體系。項目發表學術論文3篇，其中核心期刊2篇，授權實用新型專利3項。

三、主要創新點

項目主要對不連溝煤礦特厚煤層強烈動壓巷道支護技術進行系統研究及優化，針對煤礦二次動壓巷道和預掘回撤通道提出合理的支護方法，保證巷道安全使用和礦井的正常采掘銜接，最終總結出了特厚煤層開采強動壓巷道圍巖綜合控制法。

該成果能顯著提升不連溝礦巷道支護技術水平，并連帶培養巷道支護專業人才，最終實現不連溝煤礦巷道掘支達到快速、經濟、合理、科學的目的。

一是通過在不連溝煤礦特厚煤層工作面巷道進行圍巖地質力學原位測試，得出了地應力、圍巖強度和圍巖結構特征。針對不連溝煤礦主體支護材料進行了力學性能測試，對各類支護材料進行了試驗分析與評估，通過試驗結果選取合理的錨桿索預緊參數。

二是理論分析特厚煤層綜放開采工作面覆巖結構特征，得出在綜放工作面回采過程中端頭老頂破斷易形成懸臂結構，計算得出弧形三角巖塊長度和厚度。通過現場監測和數值模擬分析得出不連溝煤礦綜放工作面二次動壓巷道變形破壞與應力演化規律和末采期間主回撤通道圍巖變形特征。

三是研究實際地質條件下，水力裂縫在主應力作用下的擴展規律，對動壓影響巷道切頂卸壓機理進行了研究，推導出了煤柱受力與切頂長度之間的關系。

四是提出二次動壓巷道強支- 改性-卸壓控制技術，形成錨桿支護強化、水力壓裂卸壓和煤柱注漿改性的支護體系。采用強支-改性-卸壓控制技術后，相比單一錨桿（索）支護，巷道圍巖變形量明顯減小，圍巖控制效果得到大幅改善，達到了預期的圍巖控制效果。

五是針對特厚煤層預掘回撤通道，提出錨- 梁-注綜合控制技術，現場應用驗證結果表明，該技術能夠大幅降低圍巖變形量，煤體完整性保持得好，有利于工作面順利、快速回撤。

六是支護設計在井下進行了工業性試驗，通過現場技術指導使設計能夠全面貫徹到施工中。對示范巷道進行了全面的礦壓監測分析，巷道支護參數設計達到預期效果，對特殊地段加固進行了深入研究，引入水力壓裂卸壓技術并成功進行了現場試驗，取得了顯著的圍巖控制效果。

七是通過本項目研究工作，形成了適用于不連溝煤礦特厚煤層開采的巷道安全控制技術體系，為不連溝煤礦巷道圍巖控制提供重要技術支持，在全礦井進行了推廣應用。

八是結合項目成果，授權實用新型2件，發表中文核心論文1篇，獲得華電集團科技進步二等獎1 項、中國安全生產協會科技進步三等獎1項。

四、實施成效

本項目立足于現場生產實際問題，提出采用多種手段，綜合控制強動壓巷道圍巖變形破壞。研發的技術具有很強的可操作性，能夠順利在現場應用。采用的高強錨桿索支護技術、水力壓裂卸壓技術、注漿加固技術等，無污染、高效率，符合減排降碳要求。現場施工作業重視減排降碳，建立節能降耗管理制度并定期考核，節約了大量能源和原材料，經濟效益和社會效益均非常顯著。

（一）經濟效益

本項目現場實施與推廣應用的主要經濟效益，為節省巷道維修費用和保障工作面正常推進。節省巷道維修費用方面，主要推廣應用于F6217 工作面、F6218工作面和F6225工作面。臨空巷道F6218工作面輔運順槽和F6225工作面輔運順槽經受鄰近工作面回采動壓影響，可保持高穩定性，不需要進行維修，相比以前的類似工作面臨空巷道，每米巷道可節約維修2200元。臨空巷道長度共2100m，共節約巷道維修費用約462 萬元。

本項目技術應用后，F6217工作面回撤通道和F6218工作面回撤通道在工作面回采至附近后變形量大大減小，工作面末采順利完成，共節省搬家天數10天，保障工作面推進進尺，多采出煤量約50 萬t。按照2019年噸煤售價平均380 元，2021年年噸煤售價平均840元，噸煤成本220元計算，近三年新增銷售額30500萬元，新增利潤1946 萬元，新增稅收4880 萬元。

（二）社會效益

特厚煤層強動壓巷道多手段綜合控制技術研究等先進技術實施后，巷道圍巖變形量比原支護形式下的變形率減小，降低了巷道返修工程量，增強巷道圍巖整體穩定程度，降低了工人勞動強度，技術具有較強的先進性。

該項目研究成果，不僅能夠有效指導不連溝煤礦特厚煤層強動壓巷道圍巖控制，而且其較強的可操作性，能夠在華電煤業內部推廣應用，也可在準格爾礦區類似條件礦井中動壓巷道圍巖控制工作中推廣應用，具有較強的技術示范效應，能夠取得顯著的社會效益。

（三）環境效益

本項目采用的水力壓裂卸壓技術綠色環保，對安全生產無負面作用，處于國際先進水平，采用的強力錨桿索學性能指標達到國際領先水平，研究成果綜合達到了國際先進水平。本項目技術手段先進，安全綠色高效，通過建立特厚煤層綜合控制技術體系，解決了現場長期存在的技術難題，有利于礦井高效生產和可持續發展。