回采强动压影响下煤层大巷围岩控制技术探讨

时间：2024-07-28

陈凯

（潞安集团余吾煤业有限公司，山西长治 046103）

工作面回采期间，采空区上覆覆岩的垮冒将会导致其中的坚硬顶板产生悬顶效应，当悬顶到一定长度时，坚硬顶板将会突然破断产生强烈的动载荷。在坚硬顶板悬顶的过程中，将会对工作面前方煤体造成超前支承应力，且悬顶长度越大，所形成的超前支承应力集中程度越高。

当回采工作面前方存在煤层巷道时，随着回采工作面推进靠近煤层巷道，其极易受到回采强动压影响而围岩碎裂。因此有必要针对工作面回采推进至煤层巷道时对煤层巷道围岩失稳破坏影响进行研究，提出合理的防范措施。

1 工程地质概况

潞安集团余吾煤业所开采的井田坐落于山西长治屯留县境内，井田内主采3 号煤层。该主采煤层平均厚度为6.31m，平均倾角为3°，属于近水平厚煤层开采，所采用的开采工艺为综采放顶煤方式。井田内东翼采区北侧首采面为N2105 工作面，其东侧为N2106 未掘工作面，其西侧为N2103 掘进工作面，其北侧为实体煤层，其南侧为5 条上山煤层大巷。N2105 工作面埋深在507～597m 之间，工作面倾向长为285m，走向长约为2350m。N2105 工作面与上山煤层大巷平面位置关系如图1 所示。

图1 N2105 工作面与上山煤层大巷平面位置图

N2105 工作面停采线南侧的5 条上山煤层大巷由近及远依次为：1#回风大巷、辅助运输大巷、胶带大巷、进风大巷和2#回风大巷。当N2105 工作面回采推进至停采线附近时，受回采强动压扰动影响，5 条上山煤层大巷围岩出现了不同程度的破坏。采用钻孔窥探设备对5 条上山煤层大巷的围岩进行勘探，结果如图2 所示。

图2 5 条上山煤层大巷围岩钻孔勘测结果

由图2 可知，靠近N2105 工作面停采线一侧的1#回风大巷和辅助运输大巷受回采强动压影响最为严重，其巷道围岩呈现出较为严重的碎裂现象，对巷道围岩的稳定性控制极其不利；而离N2105 工作面停采线较远的2#回风大巷，其围岩完整性较好，说明其受到N2105 工作面回采扰动影响甚微；离N2105 工作面停采线位置居中的胶带大巷和进风大巷围岩呈现出较为完整的结构，其围岩中存在轻微的破碎现象。5 条上山煤层大巷围岩的破坏程度由靠近N2105 工作面停采线一侧向远离N2105 工作面停采线一侧逐渐减轻，说明N2105 工作面的回采扰动效应对于煤层大巷围岩有着直接的影响作用。

2 注浆加固控制技术

由图2 所示可知，针对煤层大巷围岩受N2105工作面采动影响而围岩较为碎裂的问题，可以采用注浆加固的方式来提高围岩的完整性。

根据图3 所示的围岩分层注浆加固技术可知，对于煤层大巷浅部较为碎裂的围岩进行浅部注浆，而对于煤层大巷中部较为完整的围岩进行中部注浆，且针对巷道围岩表面进行喷层作业，从而实现围岩的分层注浆加固。具体的实施步骤为：根据现场巷道围岩破坏情况，首先确定浅部注浆管和中部注浆管的长度，并在围岩中按照合理的间排距埋入注浆管，注浆管口露出巷道表面；其次对巷道围岩表面进行喷层作业，使得巷道表面破碎的围岩被封闭于喷浆层下方，在此要注意喷浆时避免把注浆管口给堵塞；再次，施工注浆作业时，先采用较小的压力对浅部注浆管进行注浆，将浅部较为破碎的围岩通过注浆胶结作用形成较为完整的结构体，同时起到对中部注浆的封闭层效果；最后采用较大的压力对中部注浆管进行作业，将中部较为完整围岩中的裂隙注入浆液，使中部围岩完整性进一步提高。

图3 围岩分层注浆加固技术

通过分层注浆加固技术，使得煤层巷道中浅部较为破碎的围岩结构整体性得到进一步提升，提高其对回采动压扰动的抵抗效果。注浆加固围岩对巷道防范回采强动压影响的力学模型如图4 所示。

图4 注浆加固巷道围岩防范回采强动压影响力学模型

由图4 可知，当N2105 工作面回采造成剧烈采动扰动时，其以动载应力波的形式向巷道自由空间内传播，但由于巷道中浅部围岩注浆后围岩整体结构性增加，会与深部的围岩之间形成一强弱结构面，因此动载应力波在传播至强弱结构面时会发生反射和透射情况，使得原本的KMN 应力曲线转变为STH 应力曲线，其中FC 应力曲线被发射回去。这一动载传播过程中，应力降明显，对巷道围岩的扰动效应大幅度降低，因而对巷道围岩的破坏作用减弱。再者巷道围岩注浆后整体结构性增加，不易发生失稳变形破坏而阻碍矿井的安全生产。

3 水力压裂顶板技术

N2105 工作面回采期间，其上方坚硬顶板将会在工作面前方形成应力集中系数较高的超前支承应力，采动形成的超前支承应力也会对煤层大巷围岩造成严重的影响，因此有必要针对超前支承应力提前进行干预措施，减小其对煤层大巷的影响作用。工作面回采超前支承应力对前方煤层大巷的影响情况如图5 所示。

图5 N2105 回采工作面超前支承应力分布

由图5 可知，当N2105 工作面回采推进至靠近停采线位置时，为了防止其上方坚硬顶板形成的超前支承应力对煤层大巷的影响，可以采用水力压裂顶板的方法对顶板进行致裂，进而减小因坚硬顶板悬顶长度过大而在煤体前方引起过大的超前支承应力。水力压裂顶板的流程示意图如图6 所示。

图6 水力压裂顶板流程示意图

由图6（a）可知，首先采用钻机向煤层上方顶板施工仰角钻孔，并利用切槽钻头在顶板中需要致裂的位置处施工横向切槽，为后续的致裂提供基础条件；由图6（b）可知，采用封隔器对施工横向切槽位置前后进行封堵，形成一密闭封隔段；由图6（c）可知，通过高压泵将高压水注入到封隔段中，在较高的水压作用下，横向切槽将会沿着槽缝方向延伸扩展，进而在坚硬稳定岩层内形成一范围较大的致裂结构弱面，实现对坚硬顶板的致裂切割效应。