干河矿动压巷道围岩变形控制技术研究

时间：2024-07-28

王俊张延刚

（山西霍宝干河煤矿有限公司，山西洪洞 031400）

随着采煤设备及技术水平的不断革新，工作面推进速度较快，而受地质条件等因素影响，掘进速度提升不明显，矿井面临采掘接替紧张问题。为保证矿井产能，存在工作面回采过程中或刚收作即掘进邻近工作面巷道的现象，由于覆岩结构未达到稳定状态，该类动压巷道所处应力环境复杂，围岩变形显著，支护难度大，对巷道的正常服务产生严重影响。针对动压巷道围岩控制难题，专家学者通过研究提出了卸压技术与支护技术，取得了良好的现场实践效果[1-4]。

为解决干河矿2-118C1巷上方顶板不垮落的问题，控制动压巷道围岩变形，针对2-118C工作面开采参数，提出了水力压裂卸压技术，并优化了原支护参数。

1 工程背景

2-118C工作面位于+80 m水平一采区右翼，北侧为2-112工作面，南侧为2-118B工作面，西侧为未开采实体煤，东侧为一采区右翼皮带巷。工作面埋深540～680 m，平均埋深590 m，工作面宽度为132 m，开采2#煤层，煤层平均厚度为3.72 m，平均倾角5°。工作面沿煤层走向布置有两条回采巷道，2-118C1巷长度为1576 m，2-118C2巷长度为1776 m。2-118D1巷长度为706 m，2-118C1巷与2-118D1巷间存在宽22 m的煤柱。工作面布置情况如图1。

图1 工作面布置示意图

由于2-118C1巷上方顶板较为坚硬，工作面推过后难以自然垮落，顶板悬露产生的集中应力传递至2-118C1巷与2-118D1巷间煤柱，加之2-118C工作面超前采动应力叠加影响，造成2-118D1巷顶板下沉、煤帮鼓出，影响巷道的正常使用，需提出控制技术解决动压巷道围岩大变形问题。

2 水力压裂卸压技术

为解决坚硬顶板悬露问题，使得顶板能够及时垮落，科研人员研究应用了水力压裂技术，并取得了良好的实践效果。水压致裂技术本质上是通过高强水压作用弱化岩体力学性能的技术。水力压裂技术同爆破预裂技术相比有许多技术优势：首先该技术的实施不会妨碍工作面的正常生产，便于实现高产高效；其次该技术危险性较小，操作较为安全，也能实现较好的顶板弱化效果。

（1）水力压裂钻孔设计

基于2-118C工作面地质条件，设计水力压裂钻孔参数。水力压裂钻孔布置在工作面前方巷道内，钻孔布置情况如图2。

图2 水力压裂钻孔布置参数

压裂钻孔布置于2-118C1巷顶板，同巷道轴向夹角为5°，于巷道肩窝处开孔，钻孔长度50 m，孔间距10 m，倾角30°。试验段巷道长度为360 m，共计施工36个钻孔。压裂压力为15～29 MPa。

在试验过程中，可根据钻孔出水情况及压裂效果，对压裂参数进行调整优化，避免因顶板大量淋水影响生产，同时保证顶板及时垮落。

（2）现场实施效果

在2-118C工作面推进过程中，在2-118C1巷巷道内进行了水力压裂技术。通过水力压裂措施对巷道顶板进行弱化卸压，以保证工作面推过后巷道顶板能及时垮落，缓解因巷道顶板悬露造成的侧向支承压力集中和煤壁变形破坏。为验证巷道顶板岩层裂化效果，通过钻孔窥视探测水力压裂前后顶板围岩情况。

探测结果显示，采取水力压裂前孔壁结构较为完整，水力压裂后孔内岩壁出现大量纵横交错的裂纹，如图4所示。可得出通过实施水力压裂，巷道顶板的力学性能被弱化，保证了邻近巷道的围岩稳定。

图3 水压致裂前后钻孔岩层破坏情况

3 支护优化方案

（1）原支护存在问题分析

通过对巷道支护效果进行现场调查，发现原巷道支护存在以下问题：

① 锚索长度不足。原支护巷道顶板使用规格为Φ17.8 mm×4500 mm锚索，难以将锚索锚固在稳定岩层内；② 支护强度不足。直径17.8 mm设计承载能力较小，难以承受动压巷道集中应力作用；③ 支护密度不足。原支护锚索间排距规格为2000 mm×2000 mm，锚杆间排距1000 mm×1000 mm。支护密度过低，对巷道围岩的支护阻力较小，难以控制巷道围岩变形。在2-118C1巷顶板悬露影响下，2-118D1巷顶板两帮变形显著，巷道多处出现支护失效。

根据高预紧力强力支护理论，针对动压巷道围岩变形破坏特点，提出通过采用W钢护板提高护表面积，改善锚杆索预应力传递效果；同时通过提升锚杆索的预紧力，改善围岩应力环境，使围岩由二向应力状态转为三向受力状态，提升围岩承载能力；根据原支护围岩控制效果，提出增加锚索长度及锚杆索支护密度，从而加强支护-围岩系统整体性和抗扰动能力。

（2）支护优化参数

① 顶板支护。选用型号为Φ22 mm×2500 mm的锚杆，间排距均为800 mm，配合为W钢带和菱形金属网护顶。选用Φ21.8 mm×6300 mm的锚索，间排距1300 mm×1600 mm。要求锚索的预紧力不小于250 kN，锚杆、锚索均垂直顶板布置。

② 帮部支护。选用Φ22 mm×2500 mm的螺纹钢锚杆，间排距均为800 mm，垂直巷帮布置，配合W钢护板和菱形金属网护帮。

（3）围岩控制效果

为评价水力压裂卸压效果及支护参数设计合理性，在2-118D1巷掘进工作面布置了巷道表面位移观测点监测巷道的顶板下沉量、两帮移近量和底鼓量。监测数据整理如图4。

图4 巷道围岩变形情况

① 随着距掘进工作面距离的增加，巷道变形逐渐稳定，顶板下沉量距掘进面45 m时保持稳定，底鼓量在距30 m处保持稳定，两帮移近量在距掘进工作面60 m处保持稳定。待巷道变形稳定后，顶板下沉量为21 mm，两帮移近量为74 mm，底鼓量为25 mm。

② 从图4中可以看出，两帮变形量明显大于顶底板变形量，这是因为两帮煤体强度较低，尽管加强了帮部支护强度，但在围岩-支护系统中仍属薄弱环节。

③ 根据图4中巷道围岩变形数据，得出采用水力压裂和对原支护参数优化后，动压巷道的变形量较小，围岩变形量相比降低85%以上，表明巷道围岩变形控制效果良好。