潞寧煤業孤島面大斷面巷道控制技術研究

高 磊

（潞安化工集團潞寧煤業有限責任公司，山西 忻州 036000）

1 工程概況

潞寧煤業22116 工作面開采2 號煤層，工作面布置在二二采區，平均埋深為500 m，位于22114 和22118 工作面中間，屬于孤島工作面，東南為二二采區軌道下山、皮帶下山、回風下山巷道。工作面煤層開采平均厚度3.5 m，平均傾角4.5°，結構簡單，硬度系數為3.5。工作面采用一次采全高采煤方式，循環進尺為0.8 m，工作面頂底板情況見表1。

表1 22116 工作面頂底板情況

22116 工作面運輸巷斷面為矩形，設計尺寸為5.0 m×3.6 m，巷道與相鄰工作面采空區留有10 m 煤柱，根據以往經驗，在本工作面開采期間由于直接頂厚度較大、煤層埋藏較深、巷道斷面較大的原因，22116 工作面運輸巷在服務期間明顯出現失穩變形的現象，給工作面正常安全開采帶來了隱患；因此，針對孤島工作面堅硬厚頂板條件下回采巷道的穩定性分析與控制是22116 工作面安全生產的前提。

2 22116 工作面運輸巷破壞控制思路

22116 工作面上方是厚且堅硬的砂巖頂板，正常回采工作后，厚層堅硬頂板并不能順利下來，或者僅發生下沉趨勢不能完全斷裂，如圖1（a）所示。不能充分垮落的頂板會在采場及煤柱上方形成穩定的懸臂結構，造成巷道和采場支架的應力狀態十分惡劣，嚴重時會造成巷道急劇收縮以及壓架等事故，給工作面正常生產帶來不利影響。

工作面運輸巷要想保持正常的服務年限，關鍵在于控制巷道所受壓力以及增加巷道的支護強度。在控制巷道壓力方面，重點是要保證厚層堅硬頂板能夠充分垮落，將上方積聚載荷向采空區轉移，降低巷道周圍煤體的應力集中程度，采取切頂卸壓技術將上方堅硬頂板切落，如圖1（b）所示，配合以全錨網支護技術，是能夠將工作面運輸巷圍巖穩定性充分提高的。

圖1 22116 工作面運輸巷

3 22116 工作面運輸巷穩定性控制措施

3.1 水力壓裂切頂卸壓技術

水力壓裂技術能夠有效切割堅硬頂板，同時又能避免炸藥爆破對巷道和工作面帶來的二次災害；因此在22116 運輸巷未回采的部分進行切頂卸壓措施，能夠有效降低頂板應力向巷道轉移，實現對巷道承載卸壓的效果。

水壓致裂鉆孔布置范圍先選定為300 m，壓裂鉆孔布置在22116 工作面運輸巷頂板，如圖2 所示，鉆孔間距為10 m，與水平方向夾角設計為50°，與工作面推進方向成75°，鉆孔整體孔深為30 m，直徑設計為75 mm，為了使得壓裂效果能夠充分釋放，設計從鉆孔底部依次向外進行開槽，初始槽距孔底2 m，繼續往外槽間距為3 m，共布置7 個壓裂槽。壓裂槽布置時，采用KZ54 型鉆頭，同時用窺視儀觀測頂板鉆孔，結合強度觸探法確定具體位置。

圖2 水壓致裂鉆孔布置

鉆孔成孔后，及時安裝封口器和水壓儀，之后采用靜水壓進行鉆孔的排氣和試壓，此時的靜水壓力為10 MPa。試驗合格后，連接注水鋼管將封孔器推送至預裂槽位置，進行高壓注水，注水壓力為60 MPa，流量為80 L/min，注水方式為倒退式壓裂法，先從最底部壓裂槽開始進行，施工過程中在施工點前后20 m的范圍內進行警戒安排。

3.2 22116 工作面運輸巷支護技術方案

工作面運輸巷為提高圍巖整體承壓強度，設計采用全錨網支護技術，支護斷面如圖3 所示。頂板錨桿采用φ22 mm×2 400 mm 的螺紋鋼錨桿，螺紋型號M24、鋼號335 號，頂部錨桿間排距設計為900 mm×1 000 mm，最外側2 根錨桿距兩幫距離均為250 mm，錨桿之間用鋼筋托梁連接，鋼筋直徑為14 mm、寬度為80 mm、長度為4 700 mm，錨桿托盤尺寸120 mm×120 mm×10 mm，形狀為拱形高強度托盤，配合球形墊和減阻尼龍墊圈使用。頂板錨索采用型號為φ22 mm×6 300 mm 的高強度低松弛預應力鋼絞線，每排打設1 根錨桿，相鄰2 排呈相錯式布置，相同布置排距為2 000 mm，每排錨桿距上幫或下幫的距離均為1 800 mm、相錯的2 根錨桿間距1 600 mm，錨索托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm，材質為高強度鋼制可調心托盤，錨索延展率為4%。頂板金屬網采用5 500 mm×1 200 mm 規格的菱形網，網孔尺寸為50mm×50mm，彼此搭接寬度不小于100 mm。

幫部只采用錨桿支護，錨桿型號為φ16 mm×2 000 mm 的麻花鋼錨桿，螺紋型號M18，桿體間排距設計為1 200 mm×1 000 mm，同一排上下2 根錨桿距離頂底板均為600 mm。巷道上幫采用塑料網支護，網規格為2 800 mm×1 200 mm，網孔為菱形，尺寸為40 mm×40 mm，下幫采用金屬網支護，網規格2 800 mm×1 200 mm，網孔也為菱形，尺寸為50 mm×50 mm。錨桿預緊扭矩大于300 N·m，錨索初次張拉力不小于260 kN，預應力損失后不低200 kN。

圖3 全錨網支護斷面設計

3.3 工程實踐應用效果分析

為進一步考察22116 工作面巷道水力壓裂切頂卸壓和圍巖全錨網支護的效果，在22116 運輸巷內布置多個測站進行工作面煤體應力監測、巷道表面位移監測和錨桿索受力監測。測站布置在巷道進尺300 m處，每隔20m 布置1 個，共布置5 個測站，監測周期為120 d，每個測站內安設KX-18 型空心包體應力計監測煤體內應力變化，鉆孔深度設計為4、6、8、10、12、14、16 m，采用十字布點法監測巷道頂底板和兩幫位移變化，采用MC-500A/B 型錨桿索測力計監測錨桿索受力。選取其中監測數據較典型測站的監測數據如圖4 所示。

圖4 巷道控制效果監測曲線

根據錨桿索和煤體應力監測可知，頂板錨桿索受力與幫部受力情況差異性較大，頂板位置受力相對較緩和，說明切頂卸壓效果對頂板作用明顯，在工作面推進至監測位置時錨桿索受力出現較大波動屬于正常現象，之后受力情況保持相對穩定。而煤體內的鉆孔應力監測也表明，監測位置越深入煤體內部，壓力值越小，煤體整體在工況下的上方載荷影響變弱，整體保持穩定性時間較長。結合礦井其它工作面巷道表面位移變化值可知，未進行切頂卸壓前巷道兩幫變形達245 mm、頂底板移近達390 mm，采取措施后兩幫移近保持在120 mm、頂底板變化保持在190 mm，減小幅度分別達51%、52%，整體降低幅度明顯。通過上述錨桿索受力、煤體應力和圍巖變形可知，22116 工作面運輸巷采取水力壓裂切頂卸壓及全錨網支護后，巷道控制效果能夠滿足工作面長期服務要求。

4 結 論

22116 孤島工作面運輸巷面臨地應力高、采動應力強烈、斷面大、頂板厚且堅硬的影響，巷道變形量大、維護困難，設計采用水力壓裂切頂卸壓進行厚硬頂板應力釋放，同時配合巷道圍巖全錨網支護措施進行支護控制。工程應用實踐后，煤體內深部淺部應力表現均比較穩定，頂板錨桿索受力變化不大，未出現斷裂失效現象，巷道圍巖表面位移也較之前變形量更小，整體完整性得到很好保持，能夠滿足22116 孤島工作面安全高效生產要求。