高地应力切顶留巷围岩快速控制技术研究

李爱军，王

(1.永城煤电控股集团有限公司 陈四楼煤矿，河南 永城 476600；2.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003)

沿空留巷能极大程度上减少工作面煤柱损失，解决上隅角瓦斯超限、采掘抽接替紧张等问题。切顶留巷是何满潮院士[1]以“切顶短臂梁”理论为指导提出的无煤柱开采技术，成功解决了沿空留巷围岩稳定性的问题，具有更广阔的应用前景。

切顶留巷的核心是“切的开、拉的住、下的来、护的住”，主要采用双向聚能拉伸爆破顶板预裂切断顶板应力传递；恒阻大变形锚索在恒定支护阻力下实现巷道“缓变性”破坏；超后挡矸支护满足初期控制采空区侧帮变形需求[2-6]。围绕以上核心技术，切顶留巷工法在白皎煤矿复合顶板、嘉阳煤矿破碎顶板、唐山沟煤矿坚硬顶等条件下进行了成功应用[6-11]。然而，随着我国近年来煤炭开采向深部转移，受深部“三高一扰动”及地质构造的影响，切顶留巷维护更加困难[12-15]。

陈四楼煤矿21702工作面埋深约800m，属于深部开采工作面。工作面由于埋深大、推进速度快，留巷受到高地应力、复杂构造、工作面后方矿压和接替工作面超前支承压力叠加作用的影响，巷道变形速率快，变形量大，顶板及两帮破碎；在高应力环境下，U型钢棚或工字钢挡矸时，易在矸石侧向压力下发生剪切破坏，无法有效挡矸。基于此，采用一种新型速凝、早强的无机双液注浆材料对切顶留巷破碎围岩注浆加固，快速有效地控制巷道变形；同时提出柔性挡矸自成墙体的巷帮挡矸技术进行巷帮支护补强，实现主、被动结合的切顶留巷补强支护方式，保障高应力区切顶留巷围岩得到有效控制。

1 切顶留巷工程概况及变形机理分析

1.1 切顶留巷地质条件

切顶留巷在陈四楼煤矿十七采区21702工作面实施，煤层埋深700～820m，倾角平均为15°。煤层赋存稳定，煤厚变化小，最小为1.3m，最大为2.9m，平均2.43m。21702工作面运输巷为留巷巷道，原巷道几何尺寸为宽×高：4400mm×2800mm。工作面直接顶板为灰黑色泥岩，平均厚度3.10m；基本顶为细砂岩、粉砂岩、粗粒砂岩；直接底为深灰色砂质泥岩，平均厚度为1.2m。切顶爆破深度为8.5m，切缝角度为15°。沿空留巷参数如图1所示。

图1 沿空留巷参数示意图

1.2 留巷变形机理分析

沿回采工作面推进方向，巷道上方应力随着与工作面的距离和时间不同而发生变化，将其分成三个应力区：未受采动影响的原岩应力区、受采动影响的应力增高区、采动影响后趋向稳定的应力稳定区，如图2所示。

Ⅰ—垮落带；Ⅱ—裂隙带；Ⅲ—弯曲下沉带；A—原岩应力区；B—应力增高区；C—应力降低区图2 采空区沿空留巷应力分布

根据切顶留巷的地质条件，以及沿空留巷围岩应力分布模型，并通过初期对留巷的观测可知，该切顶留巷有以下变形破坏特征：

1)高垂直应力作用下，直接顶和直接底在没有任何加强措施情况下，顶底板移近量增大；采空区垮落充分时，采空区成为应力降低区或无压区；临近采空区10m范围内成为高应力区，而沿空留巷在应力降低区内。

2)沿空留巷在采动应力以及围岩自重叠加的高应力作用下，巷内3.10m的直接顶板岩层节理裂隙不断扩张，巷内煤帮5.0m范围内变得更加松散破碎，围岩的自身承载能力变差。

综上可知：留巷变形破坏程度与采空区垮落充分、工作面动压(初次来压、周期来压)影响范围、巷内顶板岩性、巷内支护结构体强度等息息相关，故而巷道支护应该根据这些问题进行准对性的设计。

2 高应力区切顶留巷工艺及主要问题

2.1 切顶爆破参数

预裂切缝高度HF临界设计公式如下：

HF=(HM-HK-HG)/(K-1)

(1)

式中，HM为煤层开采高度，取最大煤层厚度2.9m；HK为顶板下沉量，由于直接顶为泥岩，故而根据经验取0.15m；HG为底鼓量，底板为砂质泥岩，底鼓量大，故而取0.2m；K为碎胀系数，直接顶板为3.1m厚层状泥岩，碎涨系数小，取1.3。

代入以上数据，计算得切缝高度8.5m。

根据以往经验和装药施工难易程度，采高M与预裂钻孔角度α(铅垂方向偏向采空区)存在一定关系：①当开采高度M≤1m时，预裂钻孔角度α取20°；②当1m

陈四楼煤矿21702工作面平均采高为2.9m，根据经验预裂钻孔角度α取15°。

21072工作面巷道预裂切缝孔孔径为48mm，深度为8500mm，切缝孔间距为600mm，切缝孔与顶板铅垂线夹角为15°，切缝孔距离工作面侧煤帮为200mm，所有切缝孔均布置在一条平面上。

爆破炸药选用矿用三级乳化炸药，外径Ф32mm，长200mm。由于基本顶板为砂岩，质地坚硬，故而每个切缝孔装药结构为“四三二一”方式，同时为了保障工作面安全，所有切顶爆破工程均在超前工作面100m处进行。

2.2 煤帮支护方案

煤帮锚网带-锚索桁架联合支护。煤帮支护形式：“Φ22mm×2500mm高强锚杆+M钢带+金属网”，锚杆间排距设计为700mm×700mm，M钢带规格：厚5mm、宽160mm、长1600mm，钢带沿巷道方向布置，钢带与钢带前后搭接；金属网规格：6#钢筋焊接、宽1000mm、长2000mm、网目70mm×70mm。采用锚索桁架加强煤帮支护，顶角锚索(Φ18.9mm×6300mm)锚固在顶板内，巷帮中间锚索(长Φ18.9mm×4500mm)锚固在煤层里，底角锚索(长3500mm)锚固在底板内，锚索桁架排距设计为1400mm。巷道断面支护方案如图3所示。

图3 巷道断面支护示意图(mm)

2.3 恒阻大变形锚索主动支护

爆破切顶后，为了控制顶板的下沉，立即采用恒阻大变形锚索进行主动支护，恒阻锚索沿顶板布置，选用Φ21.6mm×8000mm，每根锚索配有一个恒阻大变形器(变形量为350mm)；锚索梁为18#槽钢梁，长度为2000mm，“一梁三索”，恒阻锚索的间距为1600mm，锚索梁距离工作面煤墙400mm，锚索梁均布置在一条直线上，锚索预紧力要求28t。

2.4 采动超前预防性支护

单体支柱规格：DW-3.15/100，π型梁长为4000mm。“一梁两柱”，单体支柱距离梁端200mm，排距为800mm，单体支柱初撑力不小于11.5MPa。在巷中布置双排ZQL2×3200/16/32液压超前支架，支架初撑力不小于24MPa，等压力稳定后开始前移，超前支架前移后，“一梁两柱”变成“一梁三柱”支护。

2.5 主要问题

在现有沿空留巷支护作用下，初期留巷围岩变形量较大，根据分析为以下两方面原因：

1)沿空留巷的顶板和两帮围岩破碎。由于沿空留巷处于高应力集中区，工作面推进速度快，工作面后方矿压和接替工作面超前支承压力叠加扰动频繁，致使巷道围岩破碎，受采动影响锚杆锚索不能完全发挥作用，导致围岩变形量大。

2)U型钢棚、M钢带等刚性挡矸支护不适应高应力区的帮部支护。采空区矸石在高垂直应力作用下挤压向巷道，而U型钢棚、M钢带等刚性支护能有效抵挡围岩垂直应力作用，但对于矸石的侧向压力抵抗能力低，易发生剪切破坏，无法发挥挡矸作用。

3 高应力区沿空留巷围岩控制补强方案

根据上述分析，对于高应力去沿空留巷围岩进行以下两个方式的补强：①对巷道围岩进行注浆加固。选用快速凝结，早期强度高的新型无机双液注浆材料对留巷围岩进行注浆加固，快速提高围岩的整体稳定性；②增设钢丝绳柔性挡矸支护，使冒落的矸石能够压住预留的金属网自成墙体，提供柔性让压补强支护。

3.1 留巷围岩注浆加固

3.1.1 注浆材料性能

双液注浆材料由A和B两种组份构成，性能主要表现为快凝、早强、高渗透性、结石率高等特性，凝结时间和胶结强度可调，能适应工作面推进速度快，巷道受到采空区应力及接替工作面超前支承应力叠加扰动频繁的工程需求。

具体如下：①两种浆液在混合前，6h内浆液不凝固、不泌水；②两种浆液混合后，0～5min失去流动性，5～15min完全固化；③结石体2h的强度能达到3～12MPa以上。不同水灰比条件下净浆固结强度见表1。

表1 双液注浆材料不同水灰比强度特征

3.1.2 注浆钻孔布置方案

巷道全断面布置5个钻孔，如图4所示。

图4 留巷注浆钻孔布置示意图(mm)

1)在巷道顶板布置两排钻孔，钻孔间距2m，排距3m，孔深6m，孔径30mm(孔口1.5m范围扩孔至42mm)，钻孔向两帮倾斜10°。

2)巷道工作面侧煤壁由于有皮带，仅施工一排钻孔，开孔高度距底板1.5m，方向垂直于煤壁；煤柱侧三花眼布置，下排孔开孔高度距底板1.5m，垂直于煤壁布置，上排孔距底板2.5m，仰角10°布置。两帮钻孔孔径42mm，孔深6m。

3.1.3 注浆工艺及参数

注浆系统如图5所示。系统有两个QB260气动搅拌桶，两个成浆桶，可以采用铁桶加工，一台气动双液注浆泵2ZBQ50/19，以及相应管路和混合器组成。

图5 注浆系统连接示意图

注浆工艺参数设计：

1)注浆水灰比：正常注浆水灰比0.8～1.2∶1，漏浆严重时可适当减低水灰比，最低控制在0.7∶1。

2)注浆压力：注浆压力也是影响注浆效果的关键参数，一般情况下注浆压力4～6MPa，浅层注浆时，由于围岩破碎，漏浆严重时可适当减低注浆压力，可调整为1～2MPa。

3)注浆量：注浆原则上需一直注至压力上限为止，如果注浆时间过长，注浆量过大，应检查是否存在漏浆通道，注浆结束时应稳压至6MPa。

3.2 柔性挡矸支护补强

将工作面最后一台支架调整成距离工作面煤墙200mm。在支架的掩护下，采用菱形网、金属网与原巷道顶板金属网搭接400mm，将菱形网落到底板并预留300mm。采用废旧的直径为18.5mm的钢丝绳作为挡矸支护，钢丝绳的两端通过锚杆分别固定在巷道顶板、底板内，钢丝绳间距为600mm。

当工作面回采支架前移时，支架后上方顶板随即垮落，垮落的矸石压住预留在底板的菱形网，在钢丝绳的防护下形成自然墙体。自成矸石墙体柔性支护如图6所示，现场支护如图7所示。

图6 成矸石墙体柔性支护

图7 现场支护

4 留巷效果分析

在工作面回采期间，通过对留巷巷道加强支护后，巷道尺寸完全满足工作面回采时通风、行人、运输等要求，留巷巷道在工作面推进10m后开始变形，随着工作面推进，每推进10m观测一次当日的巷道变形量。整体来看，回采初期，巷道整体变形速率增大，回采30m时巷道变形量速率最快，当日板下沉量为42mm，两帮位移量为123mm，底鼓量76mm，随后巷道变形速率逐渐降低，工作面推进60m后巷道变形速率趋于稳定。工作面推进不同距离留巷变形速率特征如图8所示。

图8 回采期间留巷变形特征

为了检验沿空留巷的效果，在巷道内建立矿压观测站，对巷道顶板下沉量以及两帮位移量进行观测。矿压观测站每隔30m设立一组，留巷期间顶板及两帮的移近量如图9所示。由图9可知，巷道围岩变形在60d后趋于稳定，其中顶板下沉量稳定在105mm，两帮变形量稳定在212mm，底鼓量最大为326mm。可见，采用该支护技术方案后，巷道围岩变形量在可控范围内，有效保证了巷道的安全正常使用。

图9 沿空留巷后巷道变形规律

5 结 论

1)陈四楼矿十七采区21702工作面切顶留巷处于高应力区，工作面后方矿压和接替工作面超前支承压力叠加扰动频繁，留巷顶板及两帮破碎，现有的支护无法有效控制留巷围岩变形。

2)通过对巷道基本支护参数分析，提出切顶留巷补强支护方案。即采用一种新型速凝、早强的无机双液注浆材料对切顶留巷破碎围岩注浆加固，快速提高巷道围岩整体性；同时设计柔性挡矸自成墙体的巷帮挡矸措施，实现主、被动耦合的支护方式的切顶留巷补强支护技术。

3)在回采期间对切顶留巷巷道变形量进行观测，留巷巷道在二次采动应力作用下，顶板下沉量最大为147mm，两帮位移量最大为335mm，底板底鼓量最大为402mm。结果表明，深部开采切顶留巷巷道补强支护技术能有效控制留巷，为类似工程提供了借鉴。