高 磊

（潞安化工集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 036000）

1 工程概況

潞寧煤業(yè)22116 工作面開(kāi)采2 號(hào)煤層，工作面布置在二二采區(qū)，平均埋深為500 m，位于22114 和22118 工作面中間，屬于孤島工作面，東南為二二采區(qū)軌道下山、皮帶下山、回風(fēng)下山巷道。工作面煤層開(kāi)采平均厚度3.5 m，平均傾角4.5°，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，硬度系數(shù)為3.5。工作面采用一次采全高采煤方式，循環(huán)進(jìn)尺為0.8 m，工作面頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 22116 工作面頂?shù)装迩闆r

22116 工作面運(yùn)輸巷斷面為矩形，設(shè)計(jì)尺寸為5.0 m×3.6 m，巷道與相鄰工作面采空區(qū)留有10 m 煤柱，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在本工作面開(kāi)采期間由于直接頂厚度較大、煤層埋藏較深、巷道斷面較大的原因，22116 工作面運(yùn)輸巷在服務(wù)期間明顯出現(xiàn)失穩(wěn)變形的現(xiàn)象，給工作面正常安全開(kāi)采帶來(lái)了隱患；因此，針對(duì)孤島工作面堅(jiān)硬厚頂板條件下回采巷道的穩(wěn)定性分析與控制是22116 工作面安全生產(chǎn)的前提。

2 22116 工作面運(yùn)輸巷破壞控制思路

22116 工作面上方是厚且堅(jiān)硬的砂巖頂板，正常回采工作后，厚層堅(jiān)硬頂板并不能順利下來(lái)，或者僅發(fā)生下沉趨勢(shì)不能完全斷裂，如圖1（a）所示。不能充分垮落的頂板會(huì)在采場(chǎng)及煤柱上方形成穩(wěn)定的懸臂結(jié)構(gòu)，造成巷道和采場(chǎng)支架的應(yīng)力狀態(tài)十分惡劣，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成巷道急劇收縮以及壓架等事故，給工作面正常生產(chǎn)帶來(lái)不利影響。

工作面運(yùn)輸巷要想保持正常的服務(wù)年限，關(guān)鍵在于控制巷道所受壓力以及增加巷道的支護(hù)強(qiáng)度。在控制巷道壓力方面，重點(diǎn)是要保證厚層堅(jiān)硬頂板能夠充分垮落，將上方積聚載荷向采空區(qū)轉(zhuǎn)移，降低巷道周圍煤體的應(yīng)力集中程度，采取切頂卸壓技術(shù)將上方堅(jiān)硬頂板切落，如圖1（b）所示，配合以全錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)，是能夠?qū)⒐ぷ髅孢\(yùn)輸巷圍巖穩(wěn)定性充分提高的。

圖1 22116 工作面運(yùn)輸巷

3 22116 工作面運(yùn)輸巷穩(wěn)定性控制措施

3.1 水力壓裂切頂卸壓技術(shù)

水力壓裂技術(shù)能夠有效切割堅(jiān)硬頂板，同時(shí)又能避免炸藥爆破對(duì)巷道和工作面帶來(lái)的二次災(zāi)害；因此在22116 運(yùn)輸巷未回采的部分進(jìn)行切頂卸壓措施，能夠有效降低頂板應(yīng)力向巷道轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道承載卸壓的效果。

水壓致裂鉆孔布置范圍先選定為300 m，壓裂鉆孔布置在22116 工作面運(yùn)輸巷頂板，如圖2 所示，鉆孔間距為10 m，與水平方向夾角設(shè)計(jì)為50°，與工作面推進(jìn)方向成75°，鉆孔整體孔深為30 m，直徑設(shè)計(jì)為75 mm，為了使得壓裂效果能夠充分釋放，設(shè)計(jì)從鉆孔底部依次向外進(jìn)行開(kāi)槽，初始槽距孔底2 m，繼續(xù)往外槽間距為3 m，共布置7 個(gè)壓裂槽。壓裂槽布置時(shí)，采用KZ54 型鉆頭，同時(shí)用窺視儀觀測(cè)頂板鉆孔，結(jié)合強(qiáng)度觸探法確定具體位置。

圖2 水壓致裂鉆孔布置

鉆孔成孔后，及時(shí)安裝封口器和水壓儀，之后采用靜水壓進(jìn)行鉆孔的排氣和試壓，此時(shí)的靜水壓力為10 MPa。試驗(yàn)合格后，連接注水鋼管將封孔器推送至預(yù)裂槽位置，進(jìn)行高壓注水，注水壓力為60 MPa，流量為80 L/min，注水方式為倒退式壓裂法，先從最底部壓裂槽開(kāi)始進(jìn)行，施工過(guò)程中在施工點(diǎn)前后20 m的范圍內(nèi)進(jìn)行警戒安排。

3.2 22116 工作面運(yùn)輸巷支護(hù)技術(shù)方案

工作面運(yùn)輸巷為提高圍巖整體承壓強(qiáng)度，設(shè)計(jì)采用全錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)，支護(hù)斷面如圖3 所示。頂板錨桿采用φ22 mm×2 400 mm 的螺紋鋼錨桿，螺紋型號(hào)M24、鋼號(hào)335 號(hào)，頂部錨桿間排距設(shè)計(jì)為900 mm×1 000 mm，最外側(cè)2 根錨桿距兩幫距離均為250 mm，錨桿之間用鋼筋托梁連接，鋼筋直徑為14 mm、寬度為80 mm、長(zhǎng)度為4 700 mm，錨桿托盤(pán)尺寸120 mm×120 mm×10 mm，形狀為拱形高強(qiáng)度托盤(pán)，配合球形墊和減阻尼龍墊圈使用。頂板錨索采用型號(hào)為φ22 mm×6 300 mm 的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排打設(shè)1 根錨桿，相鄰2 排呈相錯(cuò)式布置，相同布置排距為2 000 mm，每排錨桿距上幫或下幫的距離均為1 800 mm、相錯(cuò)的2 根錨桿間距1 600 mm，錨索托盤(pán)規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，材質(zhì)為高強(qiáng)度鋼制可調(diào)心托盤(pán)，錨索延展率為4%。頂板金屬網(wǎng)采用5 500 mm×1 200 mm 規(guī)格的菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為50mm×50mm，彼此搭接寬度不小于100 mm。

幫部只采用錨桿支護(hù)，錨桿型號(hào)為φ16 mm×2 000 mm 的麻花鋼錨桿，螺紋型號(hào)M18，桿體間排距設(shè)計(jì)為1 200 mm×1 000 mm，同一排上下2 根錨桿距離頂?shù)装寰鶠?00 mm。巷道上幫采用塑料網(wǎng)支護(hù)，網(wǎng)規(guī)格為2 800 mm×1 200 mm，網(wǎng)孔為菱形，尺寸為40 mm×40 mm，下幫采用金屬網(wǎng)支護(hù)，網(wǎng)規(guī)格2 800 mm×1 200 mm，網(wǎng)孔也為菱形，尺寸為50 mm×50 mm。錨桿預(yù)緊扭矩大于300 N·m，錨索初次張拉力不小于260 kN，預(yù)應(yīng)力損失后不低200 kN。

圖3 全錨網(wǎng)支護(hù)斷面設(shè)計(jì)

3.3 工程實(shí)踐應(yīng)用效果分析

為進(jìn)一步考察22116 工作面巷道水力壓裂切頂卸壓和圍巖全錨網(wǎng)支護(hù)的效果，在22116 運(yùn)輸巷內(nèi)布置多個(gè)測(cè)站進(jìn)行工作面煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)、巷道表面位移監(jiān)測(cè)和錨桿索受力監(jiān)測(cè)。測(cè)站布置在巷道進(jìn)尺300 m處，每隔20m 布置1 個(gè)，共布置5 個(gè)測(cè)站，監(jiān)測(cè)周期為120 d，每個(gè)測(cè)站內(nèi)安設(shè)KX-18 型空心包體應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)煤體內(nèi)應(yīng)力變化，鉆孔深度設(shè)計(jì)為4、6、8、10、12、14、16 m，采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰谱兓捎肕C-500A/B 型錨桿索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)錨桿索受力。選取其中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較典型測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 巷道控制效果監(jiān)測(cè)曲線

根據(jù)錨桿索和煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)可知，頂板錨桿索受力與幫部受力情況差異性較大，頂板位置受力相對(duì)較緩和，說(shuō)明切頂卸壓效果對(duì)頂板作用明顯，在工作面推進(jìn)至監(jiān)測(cè)位置時(shí)錨桿索受力出現(xiàn)較大波動(dòng)屬于正?，F(xiàn)象，之后受力情況保持相對(duì)穩(wěn)定。而煤體內(nèi)的鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)也表明，監(jiān)測(cè)位置越深入煤體內(nèi)部，壓力值越小，煤體整體在工況下的上方載荷影響變?nèi)?，整體保持穩(wěn)定性時(shí)間較長(zhǎng)。結(jié)合礦井其它工作面巷道表面位移變化值可知，未進(jìn)行切頂卸壓前巷道兩幫變形達(dá)245 mm、頂?shù)装逡平_(dá)390 mm，采取措施后兩幫移近保持在120 mm、頂?shù)装遄兓３衷?90 mm，減小幅度分別達(dá)51%、52%，整體降低幅度明顯。通過(guò)上述錨桿索受力、煤體應(yīng)力和圍巖變形可知，22116 工作面運(yùn)輸巷采取水力壓裂切頂卸壓及全錨網(wǎng)支護(hù)后，巷道控制效果能夠滿足工作面長(zhǎng)期服務(wù)要求。

4 結(jié) 論

22116 孤島工作面運(yùn)輸巷面臨地應(yīng)力高、采動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)烈、斷面大、頂板厚且堅(jiān)硬的影響，巷道變形量大、維護(hù)困難，設(shè)計(jì)采用水力壓裂切頂卸壓進(jìn)行厚硬頂板應(yīng)力釋放，同時(shí)配合巷道圍巖全錨網(wǎng)支護(hù)措施進(jìn)行支護(hù)控制。工程應(yīng)用實(shí)踐后，煤體內(nèi)深部淺部應(yīng)力表現(xiàn)均比較穩(wěn)定，頂板錨桿索受力變化不大，未出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象，巷道圍巖表面位移也較之前變形量更小，整體完整性得到很好保持，能夠滿足22116 孤島工作面安全高效生產(chǎn)要求。