相邻工作面采动影响下切顶卸压护巷技术研究

郭少波

（陕西陕煤榆北煤业曹家滩矿业有限公司，陕西 榆林 719000）

相邻工作面采动应力是影响巷道稳定性重要因素之一。提前掘进巷道受其采动影响，产生应力扰动，发生变形，解决其变形破坏问题关键在于解决相邻工作面采动影响。以曹家滩煤矿122108 工作面回风顺槽为研究对象，研究122106 工作面采动影响巷道失稳机理，设计解决方案控制巷道变形[1-5]。

1 工程背景

（1）工程概况

122108 工作面回风顺槽沿煤层底板掘进，巷道总长5910 m，净宽5600 mm，净高4350 mm，断面面积为24.36 m2。直接顶平均厚7.02 m，基本顶平均厚20.46 m，采用锚网索、W 型钢带和W 型钢护板联合支护。煤层顶底板条件见表1。

表1 122108 工作面煤层顶底板情况表

（2）工程问题

受122106 工作面回采影响，其外回风顺槽已经发生严重变形，无法再次服务于122108 工作面的回采。且122108 工作面回风顺槽靠近122106 工作面采空区一侧，与其外回风顺槽相邻，受其回采影响，巷帮发生变形，底鼓明显，巷道底板已经出现开裂、混凝土翘起等变形现象，严重影响正常运输与行人，若不及时维护治理，则会影响122108工作面接替生产。

2 巷道变形失稳原因

由于曹家滩2-2 煤层顶板厚，强度较高，作为上覆岩层中承载支承应力σ 的主要岩层，易扩大应力的影响范围，使巷道围岩支承压力σ 升高。因此随着122106工作面向前推进，基本顶断裂下沉，使上覆岩层应力向四周转移，伴随岩层破断产生的采动应力对122108 工作面前方巷道产生应力扰动。

随着122106 工作面推进，上覆岩层发生运动，造成应力重新分布，由顶板岩层向122108 工作面传递，导致其回风顺槽围岩处于高应力环境。由于巷道两帮支护强度高，无法及时释放围岩应力，因此应力随两帮传递至巷道底板，通过底鼓的形式释放。靠近122108 工作面边缘处支承应力较小，工作面前方部分范围内支承应力σ 升高，达到峰值后迅速减小，趋于原岩应力P。卸压前岩层支承应力分布如图1。

图1 卸压前岩层支承应力分布

综上所述，122108 工作面回风顺槽失稳变形的主要原因是受122106 工作面采动影响。目前巷道已经出现底鼓、底板开裂等变形现象，严重影响工作面正常回采。

3 巷道维护方案设计

3.1 切顶卸压联合NPR 锚索补强方案

通过分析122108 工作面回风顺槽变形失稳原因可知，122106 工作面采动应力主要通过顶板传递，巷道帮部支护强度高，围岩应力无法及时释放、传递至底板，出现巷道底鼓、变形失稳。阻止122106工作面采动应力的传递则是解决此问题的关键所在，因此提出采用预裂切缝爆破卸压技术。

预裂切缝爆破卸压技术，通过预裂切缝爆破破坏岩层完整性，阻断122106 工作面上覆岩层应力传递，使工作面回采之后基本顶可以沿切缝位置及时垮落，减小基本顶悬臂长度，避免大面积顶板垮落急剧增压，影响122108 工作面回风顺槽稳定性和岩层地应力重新分布，切顶处应力降低，切顶前方一段范围处于应力集中区，远端应力趋于原岩应力。卸压后岩层支承应力分布如图2。

图2 卸压后岩层支承应力分布

由于122108 工作面回风顺槽围岩在切顶前处于高应力环境，切缝爆破产生的冲击波与应力波强度超过顶板抗拉强度，作用在顶板上，易使巷道围岩失稳，若不加以维护加固，可能进一步导致巷道变形。

采用NPR 恒阻锚索进行巷道补强加固，则可以避免由切缝爆破导致巷道围岩失稳，控制巷道顶板下沉。

3.2 切顶参数设计

不同的预裂切缝设计，对岩层间应力传递的阻隔作用也不同，既需要达到阻隔122106 工作面采动应力传递的效果，同时需要兼顾现场施工条件。因此，切顶卸压方案应用是否能达到预期效果，关键在于切顶参数选取是否合理。

基本顶未贯穿面拉应力与切顶高度、切顶角度之间的关系如式（1）：

式中：σ为基本顶未贯穿面拉应力，MPa；h为切顶高度，32 m；α 为切顶角度，60°。

综合经济效益、施工效果考虑，切顶高度25 m，角度60°，即可达到切顶的目的，此参数下定向切缝孔深为29 m。但是考虑到现场施工误差，为保证达到预计切顶效果，设计定向切缝孔深32 m，切顶角度60°，垂高28 m，计算得到基本顶未贯穿面拉应力为42.1 MPa；再辅助以加强爆破孔深33 m，垂高25 m，角度50°增强切顶效果。曹家滩煤矿2-2号煤层基本顶主要由中粒砂岩组成，其抗拉强度均不超过10 MPa，切顶参数合理。

3.3 NPR 锚索补强设计

为保证工作面巷道稳定性，在巷道进行切顶前采用NPR 恒阻锚索进行加固，根据122108 工作面情况，选用NPR 恒阻锚索，长度9000 mm，直径为21.6 mm，沿铅垂方向布置。回风顺槽NPR 锚索补强示意图如图3。

图3 回风顺槽NPR 锚索补强示意图

3.4 临时支护设计

切缝爆破破坏了122108 工作面回风顺槽顶板岩层的完整性，为了防止爆破影响巷道顶板稳定性，导致顶板下沉量增大，选择采用单体液压支柱架设临时支护。在爆破区域前后50 m 范围内，位于切缝侧布置一列排距1 m 单体液压支柱进行支护，距离巷帮1000 mm；在爆破区域前后10 m 范围内，布置第二列加强临时支护。

4 工程应用效果

选取122108 工作面回风顺槽3500～3900 m 作为试验段进行预裂切缝爆破，采用地质雷达勘探发现，爆破区域内顶板沿着预裂方向裂隙发育良好，切缝贯通距离为1.2 m。爆破后，通过PU 监测系统对回风顺槽超前支护液压支架支承应力进行监测，利用所得数据绘制回风超前支架应力曲线图，如图4。

图4 回风超前支架应力曲线

由图4 可知，未爆破时，超前支架平均应力为27.1 MPa，峰值达到40 MPa；第一次爆破后，降至36.1 MPa，平均应力为26.6 MPa；进入爆破试验段，降至32.9 MPa；进入试验段之后降为28.9 MPa，超前支承应力显著降低。

如图5 所示，在试验段采用切顶卸压联合NPR恒阻锚索支护方案后，通过PU 监测系统监测巷道围岩位移，巷道顶底板移近量最大为135 mm 左右，两帮移近量最大为80 mm 左右，巷道变形得到有效控制。

图5 切顶卸压后巷道围岩移近量

122108 工作面回风顺槽试验段进行切顶卸压后，巷道超前支架支承应力明显减小，阻隔122106工作面采动应力传递，使巷道切顶范围内处于卸压状态，解决了巷道两帮应力无法释放的问题，有效提高巷道稳定性，抑制了巷道围岩变形，减少巷道变形带来的财产损失。

5 结论

（1）通过对曹家滩煤矿122108 工作面回风顺槽变形破坏机理进行分析，揭示了巷道易失稳变形的主要原因是受相邻工作面采动应力影响，为护巷方案设计提供理论基础。

（2）结合工作面实际情况提出采用切顶卸压方案，同时使用NPR 恒阻锚索进行加固。

（3）设计的方案控制巷道顶底板移近量最大为80 mm，两帮移近量最大为60 mm，巷道变形得到有效控制。