李中偉，薛旭輝，郝登云

(1.煤炭科學研究總院 開采設(shè)計研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；3.霍州煤電集團有限責任公司，山西 霍州 031400)

近年來，綜采綜放設(shè)備效率不斷提高，工作面回采速度快，而巷道掘進受多種因素的影響，掘進速度提高幅度不大，多數(shù)礦井采掘銜接緊張，工作面正在回采或剛結(jié)束回采，就開始掘進臨近工作面巷道的現(xiàn)象極為普遍，該類動壓巷道圍巖控制難度極高，圍巖變形量大，需要大量的返修工作，嚴重影響了工作面正?；夭?，很多專家學者針對動壓巷道圍巖控制難題開展了大量的研究，提出了多種巷道圍巖控制理論與技術(shù)，包括高預緊力強力支護體系，“高阻-讓壓”支護體系，幫整體強化支護理念，從強化弱幫、建立強力支護結(jié)構(gòu)體和提高整體支護剛度三方面設(shè)計控制體系等[1-5]，這些研究成果均在一定程度上解決了動壓巷道圍巖控制難題，但沒有解決動壓巷道變形的動力之源。水力壓裂技術(shù)作為改變煤巖體結(jié)構(gòu)的一種有效技術(shù)手段應(yīng)用于煤礦井下后，一些專家學者研究了水力壓裂裂縫擴展機理，針對煤柱留巷支護問題，研究了定向水力壓裂轉(zhuǎn)移護巷煤柱上的高采動應(yīng)力，并提出了定向水力壓裂煤柱留巷卸壓機理[6-10]。本文針對干河礦2-118D工作面圍巖地質(zhì)條件，數(shù)值模擬分析了水力壓裂控制動壓巷道采動應(yīng)力的原理，計算了壓裂關(guān)鍵層，提出了水力壓裂設(shè)計方案，開展了水力壓裂現(xiàn)場施工，同時提出了高預緊力強力支護和強幫支護方案。

1 巷道概況

干河礦2-118D1巷，設(shè)計走向長度706m，埋深540～680m。2-118D1巷北側(cè)為2-118C工作面，南側(cè)為本工作面，西側(cè)為2-118A工作面，東側(cè)為一采區(qū)右翼運輸巷、軌道巷與干河村保安煤柱。2-118D1巷與臨近2-118C工作面凈煤柱22m，2-118C工作面正在回采，還有約120m回采結(jié)束，已推過2-118D工作面終采線。工作面布置情況如圖1所示。

圖1 2-118D工作面布置圖

2-118D工作面開采2號煤層，煤層平均厚度3.69m，中間含夾矸0.4m左右，煤層平均傾角4°，沿煤層頂板掘進。煤層直接頂為粉砂巖，厚度1.59m，灰色，半堅硬。之上為泥巖，厚度4.2m，深灰色，富含植物化石。直接底為粉砂巖，厚度1.61m，深灰色，薄層狀，發(fā)育斜交層面裂隙，松軟。

2 水力壓裂卸壓技術(shù)

2.1 動壓巷道壓裂卸壓機理及壓裂關(guān)鍵層

結(jié)合2-118C和2-118D工作面地質(zhì)條件，建立3DEC數(shù)值模型，分析壓裂與未壓裂時頂板的垮落情況。未壓裂與壓裂時垂直位移分布如圖2所示，從圖2中可以明顯看出，在頂板不采取水力壓裂弱化的情況下，2-118C工作面最大垂直位移區(qū)域集中在采空區(qū)中部頂板巖層，工作面兩側(cè)頂板垮落不充分。頂板采取水力壓裂弱化情況下，2-118C工作面采空區(qū)右側(cè)頂板垂直位移明顯增大，采取水力壓裂弱化頂板后，頂板垮落更加充分，形成的懸臂長度減小，該懸臂梁結(jié)構(gòu)是2-118C工作面采空在2-118D1巷圍巖附近產(chǎn)生側(cè)向支承壓力的關(guān)鍵因素，改變了該懸臂梁結(jié)構(gòu)就可以降低2-118C工作面回采對2-118D1巷產(chǎn)生的采動應(yīng)力，從而降低2-118D1巷的圍巖控制難度，在巷道變形量可控的前提下降低巷道支護強度。

圖2 未壓裂與壓裂后垂直位移分布云圖

關(guān)鍵層是指對采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖層活動起控制作用的巖層。根據(jù)相關(guān)文獻，獲得頂板部分巖層及巖性參數(shù)，見表1。

表1 2-118C工作面上覆巖層幾何和力學參數(shù)

關(guān)鍵層的判斷依據(jù)為：若某硬巖的控制范圍達到了第n層，則第n+1層載荷小于第n層的載荷；并且應(yīng)同時滿足下層硬巖的破斷距小于上層硬巖的破斷距。即滿足以下公式：

(qn+1)m<(qn)m

(1)

Lj

(2)

式中，q為巖層承受的載荷，kPa；γ為巖層容重，N/m3；h為巖層厚度，m；E為巖層彈模量，MPa；L為巖層極限跨距，m；RT為巖層抗拉強度，GPa。

1)第1層巖層本身載荷q1為：

q1=γ1h1=25×1.59=39.75kPa

計算到第2層對第1層的作用，則：

=22.62kPa

滿足(q2)1

2)第2層巖層本身載荷q2為：

q2=γ2h2=23×4.2=96.6kPa

計算到第3層對第2層的作用，則：

計算到第4層對第2層的作用，則：

計算到第5層對第2層的作用，則：

計算到第6層對第2層的作用，則：

滿足(q6)2<(q5)2，因此第6層巖層可能為關(guān)鍵層；第2層巖層承受的載荷為143.97kPa。

依次采用上述公式計算，根據(jù)關(guān)鍵層判斷標準，確定關(guān)鍵層為第2、9、13層巖層?？紤]安全因素，確定2-118C工作面上覆巖層的壓裂關(guān)鍵層為第9層和第13層巖層，即厚度6m的砂質(zhì)泥巖和厚度4.8m的細粒砂巖，見表1。

2.2 水力壓裂方案設(shè)計及現(xiàn)場施工

水力壓裂的主要目的是改變2-118C工作面回采后形成的頂板巖層結(jié)構(gòu)，控制2-118C工作面采空對2-118D1巷產(chǎn)生的采動應(yīng)力，降低2-118D1巷支護難度。在2-118C1巷頂板布置壓裂鉆孔R，與巷道軸向夾角3°～5°，開孔位置為頂板距煤柱側(cè)幫2～3m，鉆孔長度50m，孔間距10m，仰角50°，鉆頭直徑56mm，鉆桿直徑42mm。2-118C工作面壓裂鉆孔布置如圖3所示。

圖3 2-118C工作面壓裂鉆孔布置方案(m)

試驗段巷道長度360m，共計壓裂鉆孔36個，壓裂壓力10～30MPa，平均20MPa，其中靠鉆孔上部壓裂壓力較大。

3 高預緊力強力支護及強幫支護方案

3.1 支護設(shè)計

依據(jù)高預緊力強力支護理論和動壓巷道幫部是易破壞的關(guān)鍵部位的研究成果，采用W鋼護板作為幫部護表構(gòu)件提高幫部支護強度，同時利用強度高的錨桿錨索作為支護主體。而采用水力壓裂技術(shù)改變巷道頂板附近巖層結(jié)構(gòu)后，巷道圍巖應(yīng)力會明顯降低，巷道支護強度較同類型巷道可適當減弱，該類巷道必須打設(shè)的幫錨索可去掉。因此，提出支護方案如下：

1)頂板支護。采用Φ22mm×2500mm螺紋鋼錨桿，間排距均為800mm，錨桿托板為150mm×150mm×10mm的方形帶拱托板，配套調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，采用兩支樹脂藥卷，一支規(guī)格為CK2340，一支規(guī)格為Z2360，鉆頭直徑為30mm。錨桿組合構(gòu)件為W鋼帶，厚度3mm，寬280mm，長度4950mm，孔間距800mm。采用8#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護頂，網(wǎng)片規(guī)格5200mm×900mm，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm。錨桿預緊扭矩不低于280N·m。錨索為Φ21.8mm×6300mm，鉆頭直徑30mm，采用三支樹脂藥卷，兩支規(guī)格為Z2360，一支規(guī)格為CK2340。錨索托板為300mm×300mm×16mm的方形帶拱托板，配套調(diào)心球墊。錨索“三·三”布置，間距1300mm，排距1600mm。錨索張拉鎖定后預緊力不低于250kN。錨桿錨索全部垂直頂板安裝。

2)兩幫支護。采用Φ22mm×2500mm螺紋鋼錨桿，間排距均為800mm，錨桿托板為150mm×150mm×10mm的方形帶拱托板，配套調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，采用一支樹脂藥卷，規(guī)格為Z2360，鉆頭直徑為30mm。錨桿組合構(gòu)件為W鋼護板，厚度4mm，寬280mm，長度450mm。采用8#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護幫，網(wǎng)片規(guī)格3600mm×900mm，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm。錨桿預緊扭矩不低于280N·m，幫錨桿全部垂直幫部打設(shè)。

3.2 礦壓監(jiān)測

在巷道掘進120m后，布置了表面位移測站對巷道頂板下沉量、兩幫移近量和底鼓量進行了測量，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示，從圖4中可以看出：

圖4 巷道表面位移情況

1)巷道頂板下沉量20mm，兩幫移近量72mm，底鼓量26mm，底鼓量和頂板下沉量在距迎頭40m時基本保持穩(wěn)定，兩幫移近量在距迎頭60m時基本保持穩(wěn)定。

2)由于兩幫煤體強度較低，雖然加強了幫部支護強度，但是兩幫移近量仍然大于頂板下沉量和底鼓量。

3)采用水力壓裂和高預緊力強力支護的卸支耦合動壓巷道圍巖控制技術(shù)后，動壓巷道的變形量基本與普通實體煤巷道相同，較該礦原動壓巷道的圍巖變形量降低90%以上，巷道圍巖控制效果極為顯著。

4 結(jié) 論

1)動壓巷道卸壓機理是采用水力壓裂弱化頂板后，回采巷道上方頂板垮落更加充分，形成的懸臂長度減小，降低了側(cè)向采動應(yīng)力，計算了壓裂關(guān)鍵層，提出了有針對性的水力壓裂設(shè)計方案，現(xiàn)場壓裂36個鉆孔，壓裂壓力在10～30MPa，靠鉆孔上部壓裂壓力較大。

2)提出巷道支護設(shè)計方案如下：頂板采用Φ22mm×2500mm螺紋鋼錨桿配套W鋼帶，Φ21.8mm×6300mm錨索補強支護；幫部采用Φ22mm×2500mm螺紋鋼錨桿配套W鋼護板。提高錨桿錨索預緊力，提高幫部護表強度。

3)采用水力壓裂和高預緊力強力支護的卸支耦合動壓巷道圍巖控制技術(shù)后，動壓巷道的變形量基本與普通實體煤巷道相同，較該礦原動壓巷道的圍巖變形量降低90%以上，巷道圍巖控制效果極為顯著。