正利礦14-1106采面預卸壓必要性分析與卸壓工藝研究

劉引軍

（山西焦煤集團投資有限公司，山西 太原000022）

0 引言

我國無煤柱護巷大都采用沿空掘巷。該掘巷法是在上區段回采引起應力重新分布并趨于穩定后掘進，此時巷道為應力降低區，采用小寬度煤柱和一定支護技術即可保證巷道掘進、掘出后變形較小。

根據正利礦采掘銜接計劃：當前14-1106工作面回采結束后，將沿著采空區邊緣掘進14-1105工作面上巷，實施小煤柱沿空掘巷，巷道凈寬4.6 m，凈高3.2 m，凈斷面=14.72 m2，工作面布局。14-1106采空區頂板變形將對沿空掘巷產生擾動。

1 覆巖運動對沿空掘巷的擾動

1.1 沿空掘巷的時效特征

沿空掘巷的維護難度與其所處巖層運動形成的結構環境緊密相關。根據采掘時間關系，覆巖運動將分為三個關鍵階段，不同階段巖層運動及其對沿空掘巷的影響（或潛在影響）亦各不相同，即具有不同的時效特征。

1）14-1106回采期間以側向擾動為主，沿空掘巷的支護難度取決于采空區側向頂板的斷裂結構。隨工作面推進，老頂等關鍵巖層將先后出現“OX”及“半OX”斷裂，側向斷裂點距煤壁0～8 m，處于沿空掘巷或護巷煤柱的上方。

2）沿空掘巷期間以應力波動為主，巷道開掘對圍巖產生二次擾動。掘進應選擇合適的時機，待采空區頂板穩定后再掘進。掘巷期間要保持合理的掘進速度，控制卸載自由面形成的速度，將二次擾動程度降至最小。

3）14-1105回采期間以超前擾動為主。工作面回采期間，采空區之間的護巷小煤柱逐漸被壓垮，相鄰兩采空區導通，覆巖運動范圍增大。此時頂板的斷裂將對工作面前方巷道造成巨大擾動。

1.2 頂板運動關鍵區確定

1.2.1 老頂側向斷裂位置

老頂在采空區側向的斷裂位置決定了后期沿空掘巷的結構環境。老頂是煤層上方第一個關鍵層，斷裂后會引導高層位巖層沿垮落角方向斷裂，進而形成覆巖動結構。老頂斷裂點總處于塑性區內，一般距煤幫0～8 m。

隨老頂抗拉強度、載荷系數及厚度的增加，老頂斷裂位置逐漸深入煤體。而隨著老頂所受煤體反力（即煤體單向抗壓強度）及支護阻力的增加，斷裂位置逐漸靠近煤壁。周期來壓階段，老頂斷裂位置除受上述影響外，還受到塊體間咬合狀態的影響。塊體間咬合力越大，老頂的來壓步距越小，而斷裂位置則更深入煤體。老頂之上的其余頂板，將沿著一定的垮落角斷裂下沉，其位置逐漸靠近采空區。

1.2.2 垮落帶高度

垮落帶巖層是第一階段礦壓的主體，其高度Hk按下式計算：

式中：K1為垮落帶巖體的碎脹系數，取1.3。

此外，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》提供了如下的計算方法：

計算結果，平均垮落帶高度為19.44～20.65 m。實際執行時，需依據垮落帶頂部巖層賦存情況做調整。

1.2.3 導水裂隙帶高度

垮落帶上方的一部分巖層運動將對側向巖體造成較大擾動，確定這些有擾動巖層的高度，應以豎向貫通斷裂為判斷依據。采用導水裂隙帶的計算方式確定豎向貫通裂隙發育高度。

導水裂隙帶中的非垮落帶部分是第二階段礦壓的主體，其高度Hd可按如下公式計算：

式中：K2為裂隙帶巖體的殘余碎脹系數，取1.1。

此外，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》提供了如下2種計算方法：

計算結果，平均導水裂隙帶高度為58.32～82.45 m。由于關鍵層對其上位部分巖層運動起到主導作用，若導水裂隙貫通關鍵層，則其上部受控巖層全部進入導水裂隙帶。因此，實際執行時需依據導水裂隙帶頂部巖層賦存情況做調整。

1.3 14-1106回采對沿空掘巷的擾動

1.3.1 頂板的斷裂擾動

14-1106工作面開采期間，頂板斷裂運動將對采空區周邊巖體造成極大擾動。擾動的方式主要是應力轉移和應力波動，變形破壞則是其外在表現。工作面推進期間老頂先后出現“OX”及“半OX”斷裂，由此在側向形成的3種典型斷裂形態。

老頂側向斷裂后形成的關鍵塊體B的位態對小煤柱沿空掘巷影響極大。根據“給定變形”特征，塊體B的斷裂基點距離煤壁越遠則對下位煤巖體的破壞越大。因此：

1）在圖1a形態下，斷裂基點處于巷道上方，沿空掘巷的結構和應力環境最為惡劣。斷裂基點也是塊體的承壓點，有一定程度應力集中，掘巷后應力必然轉移均化，致使巖體變形。由于斷裂是掘巷前形成的，將來頂板支護時，亦有可能錨固至斷裂破碎區，導致錨固端不穩定，錨固效率下降。此外，斷裂塊體B將對側向煤體產生水平推力，在未掘巷時有助于煤體穩定，而掘巷后將會導致巷道側幫大變形。

2）在圖1b形態下，斷裂基點位于煤柱上方，同樣造成局部應力集中和水平推力，從而不利于沿空巷道圍巖穩定性維護。

3）在圖1c形態下，盡管也會出現局部應力集中和水平推力，但由于斷裂點位處采空區邊緣，側向巖體橫向變形空間充分，已將這種不利影響降至最低。

圖1 側向頂板的3種典型斷裂形態

除老頂之外，再將巖層運動的視野擴展至導水裂隙帶高度范圍，則多個關鍵層先后斷裂的疊壓擾動，還將對側向煤巖體造成疊加影響。隨著層位的升高，關鍵層斷裂范圍逐漸向采空區收縮，沿著垮落角向上擴展（見圖2a）。關鍵層斷裂擾動以“應力波”的形式向四周傳播（見圖2b），傳播路徑的通暢性決定了傳播效率和傳播范圍（見圖2c）。在應力波傳播期間：采空區邊緣巖體蓄能下降、深部巖體蓄能上升，高位巖層的斷裂擾動范圍明顯大于低位巖層。因此，如不能干預低位老頂的斷裂位態，則會導致側向煤巖體強度嚴重弱化，不利于成巷后承載。

圖2 多位巖層的疊加擾動

1.3.2 側向煤體的破壞深度

覆巖運動對采空區側向巖體擾動的集中表現是形成側向支承壓力并導致側向煤巖體破壞。其中，側向煤巖體破壞深度對后期沿空掘巷影響大。

由于工作面頂板賦存多個厚硬關鍵層，覆巖運動的大趨勢不可抗拒。由此可見，自然垮落狀態下頂板運動對側向煤體的破壞是嚴重的：①大幅減少了有效煤柱寬度；②導致沿空掘巷兩幫非對稱承載，造成結構失衡，留下失穩隱患；③幫錨進入破碎區，形成無效、低效錨固；④煤柱進一步壓扁之后，頂板隨之進一步下沉，引發惡性循環。

1.3.3 頂板運動的關鍵擾動時期

如上所述，導水裂隙帶高度范圍內關鍵層斷裂造成周期性破斷下沉，形成擾動。高低位巖層斷裂形成大小周期來壓。這些擾動對采空區周邊煤巖體的影響已在上文闡明。

除此以外，更大范圍的厚硬關鍵層具有“見方易垮”的特征，即工作面推進至采空區近似為正方形時，某一厚硬關鍵層容易發生斷裂垮落，造成更大范圍垮落沖擊。工作面各自開采期間的見方區域如圖3所示。厚硬關鍵層的結構效應更明顯，工程中發現二次見方乃至多次見方時，依然有類似強礦壓顯現。這也是需要重點關注的。因此，14-1106工作面回采至196 m及其整數倍附近時需提前做好強礦壓防控措施。

圖3 單工作面見方位置

1.3.4 沿空掘巷期間應力波動影響

14-1106工作面回采期間，采空區側向淺部煤體經受長時應力波動，波動應力隨時間分布的形態。可見低值應力區有其演化過程，并非在開采后立即形成。

同樣，沿空掘巷亦將對圍巖產生二次應力擾動，選擇合適的掘進時機、設計科學的支護參數、保持合理的掘進速度，可以將應力擾動程度降至最小。

1.3.5 14-1105回采對超前巷道的擾動

14-1105回采期間，采空區頂板巖層斷裂運動對沿空掘巷不再產生直接影響（因該巷道隨采隨棄），但會因斷裂時的應力波作用而對超前區域造成擾動。由于兩側都是采空區，小煤柱承受上方T型區巖體載荷超過其承載極限時將被壓垮而失去支撐作用（見圖5），造成相鄰2個采空區導通，誘發更大范圍巖體隨動而形成擾動。重點關注采空區導通后大面積見方區域，301.4 m及其倍數。

1.3.6 14-1106回采期間超前卸壓必要性評估

綜合上述分析，工作面回采期間頂板運動對后期沿空掘巷的影響最大。主要體現在：

1）垮落帶巖層是第一階段礦壓的主體，導水裂隙帶中的非垮落帶部分是第二階段礦壓的主體。14-1106工作面上方分布有多個關鍵層。老頂斷裂位置決定了上覆其它巖層的斷裂走向。超前預裂后可以改變頂板的斷裂位態，使之朝向有利的趨勢發展。

2）不卸壓時，老頂斷裂基點會按一定頻次分布在沿空掘巷上方、煤柱上方、煤幫邊緣，除發生在煤幫邊緣時有利，另外2種情況將不利于沿空掘巷維護：斷裂基點處于巷道上方，沿空掘巷的結構和應力環境最為惡劣。斷裂基點也是塊體的承壓點，有一定程度應力集中，掘巷后應力必然轉移均化，致使巖體變形。由于斷裂是掘巷前形成的，將來巷道頂板支護時，亦有可能錨固至斷裂破碎區，導致錨固端不穩定，錨固效率下降。此外，斷裂塊體B將對側向煤體產生水平推力，在未掘巷時有助于煤體穩定，而掘巷后將會導致巷道側幫大變形。斷裂基點位于煤柱上方，同樣造成局部應力集中和水平推力，從而不利于沿空巷道圍巖穩定性維護。

3）豎向裂隙帶高度范圍內多個關鍵層先后斷裂的疊壓擾動，還將對側向煤巖體造成疊加影響。隨著層位的升高，關鍵層斷裂范圍逐漸向采空區收縮，沿著垮落角向上擴展。關鍵層斷裂擾動以“應力波”的形式向四周傳播。在應力波傳播期間：采空區邊緣巖體蓄能下降、深部巖體蓄能上升，高位巖層的斷裂擾動范圍明顯大于低位巖層。因此，如不能干預低位老頂的斷裂位態，則會導致側向煤巖體強度嚴重弱化，不利于成巷后承載。

4）不卸壓時，頂板斷裂運動對側向煤體的破壞深度較大，對巷道安全性、穩定性有極大影響。

5）由于14-1106工作面頂板賦存多個厚硬關鍵層，覆巖運動的大趨勢不可抗拒，自然垮落狀態下頂板運動對側向煤體的破壞是嚴重的：大幅減少了有效煤柱寬度；導致沿空掘巷兩幫非對稱承載，造成結構失衡，留下失穩隱患；幫錨進入破碎區，形成無效、低效錨固；14-1105回采后，煤柱進一步壓扁，頂板隨之進一步下沉，對超前段巷道擾動較大。

2 卸壓方案及參數設計

14-1106回采期間，超前工作面對靠近14-1105工作面的順槽（14-1106膠帶順槽）頂板實施縱向預裂卸壓，既能緩解本工作面礦壓，又能營造利于沿空掘巷維護的頂板結構。

2.1 技術方案

每10 m布置1個縱向切頂鉆孔，鉆孔布置方式。實施切頂卸壓的14-1106膠帶順槽，需要強化超前輔助支護。按步驟介紹相關技術參數如下：

1）超前工作面40 m完成鉆孔施工（可采用ZDY3200S型鉆機施工），鉆孔參數如下：①鉆孔直徑：75 mm；②鉆孔開孔位置：開孔位置均在頂板，距離巷道保險幫不超過1 m開孔（0.5～1 m）；③鉆孔角度和長度：角度為60°，長度為30 m，參照表3執行；④終孔高度：垂高25 m。

2）當鉆孔的孔底距工作面5～10 m時，對鉆孔進行裝藥，裝藥步驟包括把起爆藥、起爆藥、炸藥送入鉆孔，并用炮泥封孔，炸藥采用煤礦三級安全乳化炸藥。藥柱規格為Φ32 mm×200 mm。鉆孔采用煤礦許用8號毫秒延期電雷管。

3）裝藥、封孔完畢后，連接雷管到炸藥、封泥，最后連接爆破網絡，實施起爆。

4）實施完上述步驟后，間隔10 m重復實施步驟（1）～步驟（3）。

2.2 施工方法

本試驗巷道切頂施工在嚴格執行煤礦安全規程等規定、山西焦煤集團有限責任公司的相關規定的前提下進行施工。

3 卸壓范圍的確定

在堅硬頂板、薄層直接頂等特殊條件下，為了給14-1105工作面沿空掘巷營造良好的應力環境，需要在14-1106工作面回采期間在（膠帶順槽）對采空區的側向頂板進行預裂卸壓。

提出卸壓必要性因子作為頂板預裂卸壓的判別準則，并結合49、DX-1、41及ZK-1等鉆孔反映的巖性柱狀信息，計算得出14-1106工作面開采期間需要開展頂板預裂卸壓的置信區間。

提出卸壓必要性因子，定義冒落后剛能夠填滿采空區的直接頂厚度為臨界厚度h'，則：

式中：m為煤層開采厚度，m；h為直接頂厚度，m；K為巖石碎漲系數，取1.35；h'為卸壓臨界直接頂厚度，m。

據上表，49號鉆孔和41號鉆孔所代表的區域卸壓必要性因子較高，需要提前切頂卸壓。由于49號鉆孔代表的區域已經處于106采空區，無法進行切頂卸壓，所以卸壓范圍確定為距離106工作面停采線308～923 m范圍（測點9-測點19）。

4 結論

1）以正利煤業沿空掘巷法開拓14-1105工作面上巷為工程背景，分析該巷道受14-1106回采、沿空掘巷期間、14-1105回采等不同時序覆巖擾動影響的特征。

2）通過模型構建、理論分析及應力波檢測等方式論證了14-1106巷道回采期間超前卸壓的必要性。

3）進行頂板預裂卸壓技術方案及參數設計；根據49、DX-1、41及ZK-1等鉆孔反映的巖性柱狀信息確定了欲裂卸壓范圍。