深井托厚顶煤沿空顺槽围岩失稳协同治理关键技术

商全根

（山东煤矿安全监察局鲁南监察分局，山东 枣庄 277800）

随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部开采状态[1]，冲击地压与巷道围岩大变形成为制约矿井安全生产的关键因素。只有同时具备内在条件、结构条件和应力条件这3个条件，才会发生冲击地压[2]。钻孔卸压技术是面临冲击威胁矿井广泛采用的一种有效解危措施[3]。本文旨在统筹考虑钻孔卸压治理与巷道变形控制，发挥“卸压-支护”协同治理作用。

1 概况

枣矿集团田陈煤矿六一采区主采3下煤，其弹性能指数为2.25，具有弱冲击倾向性，煤层平均厚度6.0m，基本顶为平均厚117m的中砂岩，上覆平均厚度90.6m的砾岩层。3下6116轨道巷设计沿3下6116采空区布置，区段煤柱宽度4.5m。根据田陈煤矿以往开采经验，沿空顺槽变形量一般都要超过巷道断面20%，3下6110沿空顺槽两帮位移最大达1.1m，顶底板移近量最大达0.6m。为了消除冲击地压危险，控制巷道变形，田陈煤矿开展了系列研究，优化了卸压钻孔参数及巷道支护参数，并在3下6116沿空顺槽成功应用。

2 理论分析

我国学者在巷道支护理论方面提出了新奥法支护理论、联合支护理论、松动圈支护理论、围岩强度强化理论等多种支护理论，目的都是为了保持巷道围岩稳定性。卸压钻孔防冲机制根据其施工时机的不同分为两种，用于预卸压时，其防治冲击地压的机制是改变煤体的物理性质和积聚能量的条件；而用于解危时，其防治冲击地压的机制是耗散煤体积聚的弹性能和增加阻抗力[4]。但是，卸压钻孔施工后，在应力作用下将逐渐塌孔，降低了巷道围岩强度，将会促进塑性区扩展，破坏巷道支护效果。

为解决卸压钻孔与巷道支护之间的矛盾，笔者提出了“内圈强支、中圈卸压、外圈承载”治理思路，即在巷道松动圈范围内注浆加固，提高巷道围岩强度，保证巷道支护具有足够强度，中圈利用卸压钻孔改变煤体物理性质和积聚能量条件，将煤体应力向外圈转移，由外圈承受载荷，并且在发生冲击地压时能够作为主要吸能层保护内圈巷道稳定性，其作用机理如图1所示。

图1 “卸压-支护”协同治理作用机理

3 参数设计

根据强排煤粉防治冲击地压的机理，以“增变”为原则，确定钻孔直径和间距。设安全增变量为△ε，煤层厚度为h，煤体密度为ρ，则沿走向单位长度需布置的钻孔数N应满足

式中：

d-钻孔直径，取133mm；

k-增益系数，即单个钻孔实际排粉质量m'与设计排粉质量m之比（m=ρπd2/4；m′=km），根据现场统计，预卸压时k=1～1.5，解危时k=2～3；

△ε-安全增变量，取1.5‰。

则钻孔间距D的计算公式为

根据式（2）计算，3下6116轨道巷卸压钻孔布置参数为：孔径133mm，孔间距2m，孔深20m。

3下6116轨道巷顶部打设五棵高强度预应力锚杆，其间排距为900×900mm，铺挂钢筋网及钢筋梯（W钢带），沿煤层顶板掘进段，顶板每隔四排锚杆在距巷道中心线两侧各900mm处的顶板上打设两棵锚索，托顶煤掘进段，顶板每隔两排锚杆在距巷道中心线两侧各900mm处的顶板上打设两棵锚索；两帮部各打设五棵高强预应力锚杆，挂铁丝网配钢筋梯，其间排距为900×900mm。顶板锚杆规格为Φ22×2400mm，帮部锚杆规格为Φ20×2400mm，W钢带规格为 4000×275×2.75mm，锚索规格为Φ17.8mm的钢绞线，其长度以能锚入硬岩的深度不小于1.5m为准，两帮钢筋梯规格为3500×70mm，钢筋网规格为4200×1070mm，帮部铁丝网规格为6000×1200mm。

注浆锚杆采用黑铁管制作，壁厚4mm，杆体上钻有Φ6mm注浆孔，规格Φ20×2000mm注浆锚杆结构如图2所示。

图2 注浆锚杆示意图

托顶煤段顶板及两帮注浆锚杆规格Φ20×2000mm，封孔采用快硬水泥药卷。注浆锚杆全断面布置，顶板注浆锚杆间排距1200×1200mm，上帮注浆锚杆间排距为1300×1100mm，下帮注浆锚杆间排距为1100×1100mm，底角注浆锚杆下扎30～45°，排距1100mm。注浆水泥必须使用标号不低于425#水泥，制作水泥浆液水灰比，清水:水泥=1:1～0.7:1。

4 现场效果

根据矿压观测结果显示（图3），巷道两帮最大位移量为100mm，顶底板最大位移量75mm，顶底板平均位移速率达到1.87mm/d，两帮平均位移速率达到2.5mm/d；采用注浆加固方案巷道表面位移量显著减少，平均移近量速率降低，表明巷道围岩变形得到了明显有效控制。巷道没有明显变化与破坏，同时根据应力监测数据来看，也避免了高应力集中。巷道满足回采使用的要求，保证矿井的安全生产。

图3 巷道表面位移曲线图

5 结论

（1）卸压钻孔在改变煤体的物理性质和积聚能量的条件的同时，将对巷道围岩造成一定破坏，影响巷道支护效果。

（2）采用巷道围岩注浆加固技术能够大幅提高巷道围岩强度，遏制巷道围岩流变，提高巷道支护效果。

（3）“内圈强支、中圈卸压、外圈承载”治理方法能够充分发挥“卸压-支护”协同治理作用，在预防冲击地压事故的同时，保证巷道围岩稳定性。