双采动影响下预留巷道围岩控制技术研究

李俊福

(山西晋煤集团 长治仙泉煤业有限公司，山西 长治 047100)

巷道作为煤炭开采空间的一部分，其围岩的稳定性决定了煤炭的安全开采和回采效率[1-2]. 巷道在服务期间受周围复杂应力环境的影响，影响了巷道的完整性，甚至缩短了巷道的服务年限[3].

目前，巷道围岩变形技术多针对于巷道的后期维护，如巷道变形后的补强支护、后期的破碎围岩注浆加固等[4-5]. 这些技术方法虽然短时间内控制了巷道围岩变形，但没有从巷道变形机理的角度治理，耗费财力物力多，返修率较高[6]. 由于回采巷道的特殊性，受回采的影响，在服务期间围岩大多要发生强烈破坏并产生较大的松动变形，变形及应力状态的不同将使围岩表现出不同的承载特性及稳定性特征。巷道围岩的控制过程是一个贯穿围岩各个变形阶段的复杂过程。因此，要实现对巷道围岩的有效控制，必须正确认识围岩在各变形阶段的稳定状态本质，掌握巷道周围应力各个阶段变化，从围岩变形机理的角度，针对性地控制不同围岩条件下的巷道变形，达到巷道在回采期间的服务要求，节约维修成本。

针对晋煤集团古书院矿152309工作面在双采动影响下预留巷道变形情况，对巷道围岩变形机理进行调研分析，采用切顶卸压转移应力，同时联合进行锚索注浆加固的方式，解决其巷道变形问题。

1 工程概况

古书院矿152309工作面开采15#煤层，工作面推进长度1 588 m，倾斜长度为181 m，煤厚0.8～2.8 m，倾角5°，地面标高875～1 050 m，工作面标高563～616 m. 直接顶岩性为10.13 m厚灰岩，属于坚硬岩层。直接底板岩性为3.12 m厚泥岩，属于软岩层基本底。工作面巷道布置采用一面两巷(一进一回)的布置形式。工作面布置图见图1.

图1 152309工作面布置图

2 巷道围岩变形特征与分析

2.1 巷道围岩变形特征

通过对古书院矿不同开采条件下工作面回采巷道围岩变形量实测可知，高应力水平是预留巷道围岩锚固体流变失稳的内在原因，而不同的锚杆-锚索耦合支护参数是巷道围岩锚固体流变稳定的外在因素。分析巷道围岩锚固体的变形破坏特征，有利于实现流变围岩的有效控制。该矿临近工作面巷道的主要变形特征为：

1) 顶板均为坚硬岩层，承载能力强，岩体强度大，不发生挠曲变形，不易破碎。

2) 临近工作面回采巷道两帮变形量较大，片帮严重。

3) 巷道底鼓严重。在回采151305工作面过程中，工作面胶带巷受二次采动影响底鼓达到0.8～1.5 m；在回采151306工作面过程中，工作面回风巷受初次采动影响底鼓达到0.5～1.2 m，胶带巷受二次采动影响底鼓达到0.7～1.5 m；回采152307工作面过程中回风巷受初次采动影响底鼓达到0.5～1.2 m.

2.2 围岩变形机理分析

通过对该工作面地质调研分析发现：该地质区域煤层直接顶厚度大、强度高、完整性好，推进过程中在工作面端部容易形成长度较大的悬臂梁，矿压通过悬臂梁传递到煤柱上，引起巷道保护煤柱内应力集中程度高。而预留巷道与采空区间的煤柱仅为25 m，支承压力带宽度为44 m，巷道在距工作面15 m的应力峰值区域时，断面巷道在工作面回采期间受工作面侧向支承压力影响较大，使得巷道围岩破坏严重。

3 治理方案设计及效果分析

通过对临近工作面巷道围岩变形特点分析可知，应力集中是造成巷道片帮、底鼓严重的主要原因，转移应力将有效减缓巷道受到的高集中应力，达到围岩控制的目的。根据切顶卸压原理[7-8]，采用超前深孔预裂爆破处理坚硬顶板，在工作面保护煤柱侧对顶板进行预裂爆破，切断1523092与1523103两巷间的顶板结构，减小基本顶悬臂梁长度和悬顶面积，破坏顶板储能条件，释放预留巷道沿空侧顶板压力，降低侧向压力在巷道围岩内的应力集中程度。同时为保证后期巷道的稳定，联合锚索注浆对巷道围岩进行加固[9].

3.1 切顶卸压方案设计

3.1.1爆破钻孔布置参数

沿1523092巷靠近煤柱一侧300 mm处，从切眼向外每隔5 m布置一个钻孔，钻孔长度15 m, 仰角为45°(向工作面后方)，水平角度为0°，装药长度5 m，装药量15 kg，炮孔剩余部分用炮泥封满；切眼贯通后，工作面回采之前，布置好切眼向外50 m范围内的10个钻孔，实施预裂爆破；在152309工作面回采的过程中，始终保持工作面前方50 m范围内已经实施1523092巷的预裂爆破。具体施工方案见图2.

图2 超前支护与切顶炮眼空间关系示意图

3.1.2爆破工艺

采用双向聚能爆破技术实现对顶板的定向切割。双向聚能拉张成型爆破指将药包放入两个设定方向有聚能效应的聚能装置，炸药起爆后，炮孔围岩在非设定方向上均匀受压，而在设定方向上集中受拉，实现被爆破体按照设定方向拉张断裂成型。具体爆破参数为：

1) 钻具及钻孔。选用ZDY-1250型煤矿用全液压坑道钻机，三翼复合片钻头及天然金刚石表镶钻头，成钻孔d75 mm.

2) 使用的炸药和雷管种类。炸药使用煤矿许用2号乳化炸药，药卷d60 mm×500 mm，1.5 kg/卷，雷管使用煤矿许用8号普通瞬发、毫秒延期、秒延期电雷管。

3) 装药与封孔。把起爆药卷做好后放入PVC管内，装到要求长度后，用炮棍把PVC管推入到孔底。

3.2 锚索注浆加固方案设计

注浆锚索加固原理是将锚索的支护作用与注浆加固的作用组合起来，共同作用于巷道围岩，通过注浆锚索压注有机或无机浆液，不仅能从根本上保证锚索的可靠性，而且浆液通过渗透扩散对周围松动的煤岩体产生黏结固化作用，显著改善其整体性，提高煤岩体的自撑能力，改善巷道支护效果。注浆锚索采用中空结构，中空管兼做注浆管，索体由钢丝、注浆芯管构成。对普通锚索的索体加工成注浆芯管并改进锚索锚具结构，以实现树脂锚固、锚索预紧和中空管注浆一体化。

3.2.1注浆锚索布置参数

在1523103巷道原有支护的基础上，从预留巷道的两帮分别平行底板向煤壁内补打注浆锚索以加强围岩控制，即在现有每排锚杆之间三花眼交错式的增加型号d22 mm×5 300 mm的中空注浆锚索，注浆锚索布置图见图3.

图3 中空注浆锚索布置示意图

3.2.2施工工艺

注浆锚索施工工艺流程为：确定锚索孔位—打眼钻孔—安装锚索—注浆—封孔。

选用FLZ-1型高强注浆材料，实验室实验和现场运用证明其快凝早强的效果优于普通水泥浆。主要成分为粉煤灰、超细水泥、增强剂、悬浮剂和成岩剂等，注浆压力为5.0～7.0 MPa，注浆半径0.75 m，单孔注浆量300 L，注浆时间为20～30 min.

为保证注浆量，注浆时采用间歇式注浆。在保证不漏浆的基础上逐渐加大注浆压力，当达到注浆设计压力后停止注浆，更换下一钻孔进行注浆加固。注浆结束后清洗注浆管路。

3.3 工程效果检验分析

直接顶在预先切顶的作用下沿切缝垮落，采空区侧向未形成悬臂梁结构，采空区端面煤体浅部破坏深度比未切顶时明显减少；煤柱内最大应力集中系数由2.35降为1.67，降幅29%；巷道断面收缩率由35.3%降为18.9%，巷道围岩稳定性明显提高。中空注浆锚索对加固巷道变形起到了明显的效果。对1523103预留巷道不同采动影响期间的表面位移进行观测，其中1523103巷与1523092巷相邻，为下一工作面152310服务，工作面的回采顺序为先对152309工作面进行回采，待152309工作面回采完毕且采空区上覆岩层稳定后对152310工作面进行回采，两工作面布置图见图1. 选取两个代表性测点，其围岩变形曲线见图4，152309工作面回采期间巷道的变形主要以底鼓为主，顶底板最大移近量为100 mm，两帮最大移近量为20 mm；在152310工作面回采期间巷道变形主要以顶底板变形为主，顶底板最大移近量为174 mm，两帮移近量最大移近量为77 mm，其围岩变形情况能够满足工程需求，保证巷道在服务期间的安全使用。

图4 巷道围岩变形曲线图

4 结 论

1) 通过对古书院矿地质条件调研分析可知，顶板厚度大、强度高、完整性好造成工作面应力集中，巷道保护煤柱内应力集中程度高是造成巷道围岩变形的主要原因。

2) 针对双采动影响下围岩的变形特征，提出了切顶卸压联合锚索注浆加固方案，并给出了切顶卸压爆破参数、锚索注浆加固布置参数以及相应的施工工艺参数。

3) 工业性试验取得了成功，治理方案有效降低了双采动影响下预留巷道周边的围岩应力，巷道围岩变形得到有效控制，满足了巷道使用要求。