干河礦動壓巷道圍巖變形控制技術研究

王 俊 張延剛

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 洪洞 031400）

隨著采煤設備及技術水平的不斷革新，工作面推進速度較快，而受地質條件等因素影響，掘進速度提升不明顯，礦井面臨采掘接替緊張問題。為保證礦井產能，存在工作面回采過程中或剛收作即掘進鄰近工作面巷道的現象，由于覆巖結構未達到穩定狀態，該類動壓巷道所處應力環境復雜，圍巖變形顯著，支護難度大，對巷道的正常服務產生嚴重影響。針對動壓巷道圍巖控制難題，專家學者通過研究提出了卸壓技術與支護技術，取得了良好的現場實踐效果[1-4]。

為解決干河礦2-118C1巷上方頂板不垮落的問題，控制動壓巷道圍巖變形，針對2-118C工作面開采參數，提出了水力壓裂卸壓技術，并優化了原支護參數。

1 工程背景

2-118C工作面位于+80 m水平一采區右翼，北側為2-112工作面，南側為2-118B工作面，西側為未開采實體煤，東側為一采區右翼皮帶巷。工作面埋深540～680 m，平均埋深590 m，工作面寬度為132 m，開采2#煤層，煤層平均厚度為3.72 m，平均傾角5°。工作面沿煤層走向布置有兩條回采巷道，2-118C1巷長度為1576 m，2-118C2巷長度為1776 m。2-118D1巷長度為706 m，2-118C1巷與2-118D1巷間存在寬22 m的煤柱。工作面布置情況如圖1。

圖1 工作面布置示意圖

由于2-118C1巷上方頂板較為堅硬，工作面推過后難以自然垮落，頂板懸露產生的集中應力傳遞至2-118C1巷與2-118D1巷間煤柱，加之2-118C工作面超前采動應力疊加影響，造成2-118D1巷頂板下沉、煤幫鼓出，影響巷道的正常使用，需提出控制技術解決動壓巷道圍巖大變形問題。

2 水力壓裂卸壓技術

為解決堅硬頂板懸露問題，使得頂板能夠及時垮落，科研人員研究應用了水力壓裂技術，并取得了良好的實踐效果。水壓致裂技術本質上是通過高強水壓作用弱化巖體力學性能的技術。水力壓裂技術同爆破預裂技術相比有許多技術優勢：首先該技術的實施不會妨礙工作面的正常生產，便于實現高產高效；其次該技術危險性較小，操作較為安全，也能實現較好的頂板弱化效果。

（1）水力壓裂鉆孔設計

基于2-118C工作面地質條件，設計水力壓裂鉆孔參數。水力壓裂鉆孔布置在工作面前方巷道內，鉆孔布置情況如圖2。

圖2 水力壓裂鉆孔布置參數

壓裂鉆孔布置于2-118C1巷頂板，同巷道軸向夾角為5°，于巷道肩窩處開孔，鉆孔長度50 m，孔間距10 m，傾角30°。試驗段巷道長度為360 m，共計施工36個鉆孔。壓裂壓力為15～29 MPa。

在試驗過程中，可根據鉆孔出水情況及壓裂效果，對壓裂參數進行調整優化，避免因頂板大量淋水影響生產，同時保證頂板及時垮落。

（2）現場實施效果

在2-118C工作面推進過程中，在2-118C1巷巷道內進行了水力壓裂技術。通過水力壓裂措施對巷道頂板進行弱化卸壓，以保證工作面推過后巷道頂板能及時垮落，緩解因巷道頂板懸露造成的側向支承壓力集中和煤壁變形破壞。為驗證巷道頂板巖層裂化效果，通過鉆孔窺視探測水力壓裂前后頂板圍巖情況。

探測結果顯示，采取水力壓裂前孔壁結構較為完整，水力壓裂后孔內巖壁出現大量縱橫交錯的裂紋，如圖4所示。可得出通過實施水力壓裂，巷道頂板的力學性能被弱化，保證了鄰近巷道的圍巖穩定。

圖3 水壓致裂前后鉆孔巖層破壞情況

3 支護優化方案

（1）原支護存在問題分析

通過對巷道支護效果進行現場調查，發現原巷道支護存在以下問題：

① 錨索長度不足。原支護巷道頂板使用規格為Φ17.8 mm×4500 mm錨索，難以將錨索錨固在穩定巖層內；② 支護強度不足。直徑17.8 mm設計承載能力較小，難以承受動壓巷道集中應力作用；③ 支護密度不足。原支護錨索間排距規格為2000 mm×2000 mm，錨桿間排距1000 mm×1000 mm。支護密度過低，對巷道圍巖的支護阻力較小，難以控制巷道圍巖變形。在2-118C1巷頂板懸露影響下，2-118D1巷頂板兩幫變形顯著，巷道多處出現支護失效。

根據高預緊力強力支護理論，針對動壓巷道圍巖變形破壞特點，提出通過采用W鋼護板提高護表面積，改善錨桿索預應力傳遞效果；同時通過提升錨桿索的預緊力，改善圍巖應力環境，使圍巖由二向應力狀態轉為三向受力狀態，提升圍巖承載能力；根據原支護圍巖控制效果，提出增加錨索長度及錨桿索支護密度，從而加強支護-圍巖系統整體性和抗擾動能力。

（2）支護優化參數

① 頂板支護。選用型號為Φ22 mm×2500 mm的錨桿，間排距均為800 mm， 配合為W鋼帶和菱形金屬網護頂。選用Φ21.8 mm×6300 mm的錨索，間排距1300 mm×1600 mm。要求錨索的預緊力不小于250 kN，錨桿、錨索均垂直頂板布置。

② 幫部支護。選用Φ22 mm×2500 mm的螺紋鋼錨桿，間排距均為800 mm，垂直巷幫布置，配合W鋼護板和菱形金屬網護幫。

（3）圍巖控制效果

為評價水力壓裂卸壓效果及支護參數設計合理性，在2-118D1巷掘進工作面布置了巷道表面位移觀測點監測巷道的頂板下沉量、兩幫移近量和底鼓量。監測數據整理如圖4。

圖4 巷道圍巖變形情況

① 隨著距掘進工作面距離的增加，巷道變形逐漸穩定，頂板下沉量距掘進面45 m時保持穩定，底鼓量在距30 m處保持穩定，兩幫移近量在距掘進工作面60 m處保持穩定。待巷道變形穩定后，頂板下沉量為21 mm，兩幫移近量為74 mm，底鼓量為25 mm。

② 從圖4中可以看出，兩幫變形量明顯大于頂底板變形量，這是因為兩幫煤體強度較低，盡管加強了幫部支護強度，但在圍巖-支護系統中仍屬薄弱環節。

③ 根據圖4中巷道圍巖變形數據，得出采用水力壓裂和對原支護參數優化后，動壓巷道的變形量較小，圍巖變形量相比降低85%以上，表明巷道圍巖變形控制效果良好。

4 結論

（1）為解決干河礦動壓巷道變形顯著問題，針對干河礦2-118C工作面開采條件，提出水力壓裂卸壓技術并對支護參數進行了優化。

（2）采取水力壓裂卸壓技術后，巷道上方頂板能夠充分及時垮落，避免了因頂板懸露引起的側向應力集中現象。

（3）在卸壓的基礎上優化了支護參數，現場觀測數據顯示動壓巷道圍巖變形量較小，表明提出的圍巖變形控制技術較為合理。