特厚煤层坚硬顶板沿空巷道支—卸协同控制技术及实践.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期：；：作者简介：崔佐军（），男，山西长治人，工程师，年毕业于山东理工大学采矿工程专业，现任山西煤炭进出口集团左云东古城煤业有限公司总工程师，从事矿山压力与围岩控制方面的研究工作。引用格式：崔佐军，范小龙，马秉亮，等 特厚煤层坚硬顶板沿空巷道支卸协同控制 煤炭科技，（）：，（）：，文章编号：（）特厚煤层坚硬顶板沿空巷道支卸协同控制技术及实践崔佐军，范小龙，马秉亮，周志强，郭海恩，宋平，章强，雷嘉伟（山西煤炭进出口集团 左云东古城煤业有限公司，山西 大同 ）摘要：针对特厚煤层坚硬顶板沿空巷道围岩稳定性控制难题，以东古城煤业 工作面 特厚煤层坚硬顶板沿空巷道为研究对象，分析了特厚煤层围岩大空间回采扰动、坚硬顶板大面积悬顶及上覆岩层剧烈回转下沉等因素对沿空巷道围岩稳定性控制的影响特征，提出了以“高强螺纹钢锚杆 高强钢绞线锚索 钢带 钢筋网 中顶、小煤柱侧帮喷浆 水力压裂切顶卸压”为核心的特厚煤层坚硬顶板沿空巷道支卸协同控制技术方案，开展了东古城煤业 工作面回风巷支卸协同控制技术现场试验，并对水力压裂切顶效果及巷道矿压显现规律进行了现场监测。结果表明，在“锚带网索喷”强力支护及水力压裂切顶卸压协同作用下，工作面回风巷回采期间基本顶初次来压步距缩短至 ，围岩最大变形量控制在 以内，巷道支卸协同控制技术效果明显，研究成果对于指导特厚煤层坚硬顶板沿空巷道围岩稳定性控制具有一定的理论与工程意义。关键词：特厚煤层；坚硬顶板；水力压裂；围岩控制中图分类号：文献标志码：，（，）：，年第 期煤炭科技第 卷 ：；：特厚煤层工作面由于开采空间大，开采强度高，煤柱侧巷道因处于应力增高区，导致工作面回采期间采动应力大，必将引起巷道强矿压显现，巷道稳定难以得到保证 。同时，坚硬顶板条件则会导致工作面推进过程中采空区上方顶板难以自行垮落，极易在采空区上方形成大面积的悬顶结构 ，导致工作面超前支承压力影响范围扩大，巷道支护难度增加 。因此，特厚煤层坚硬顶板沿空巷道围岩稳定性控制已成为急需解决的问题。在中厚煤层条件下坚硬顶板沿空巷道变形和强矿压协同控制问题研究方面，宋要斌等 针对坚硬顶板强动压造成的巷道底鼓严重问题，提出坚硬顶板切顶卸压、优化煤柱宽度、支护补强的协同控制技术；王东攀等 针对厚煤层综放工作面沿空巷道围岩移近量大等问题，提出了高强锚索补强支护、改造顶板结构、改善巷道应力环境的“支卸”协同沿空留巷围岩控制技术。我国许多学者对中厚煤层条件下坚硬顶板沿空巷道围岩稳定性控制进行了大量研究，并取得了一些具有创新性、关键性的研究成果，但现有研究中对以上的特厚煤层坚硬顶板沿空巷道围岩稳定性协同控制技术鲜有报道。以东古城煤业 工作面回风巷为工程背景，分析了 特厚煤层坚硬顶板沿空巷道围岩控制技术难点，提出巷道支卸协同控制技术，并进行了现场工业性试验及效果监测评价。工程概况东古城煤业 综放工作面为孤岛工作面，其相邻两侧为 和 工作面采空区，工作面及巷道布置如图 所示。综放工作面两巷平均埋深约 ，巷道断面均为矩形，高 ，宽 ，沿 号煤层底板掘进。工作面运输巷与 采空区之间留有 大煤柱，回风巷与 采空区之间留有 大煤柱及 小煤柱。号煤层厚 ，平均厚度 ，煤体平均单轴抗压强度为 。号煤层直接顶为粗粒砂岩，平均厚度 ，岩体平均单轴抗压强度为 ，属于坚硬顶板。工作面煤层综合柱状如图 所示。图 工作面布置示意 图 工作面煤层综合柱状 特厚煤层坚硬顶板沿空巷道围岩控制技术难点准确掌握 工作面特厚煤层坚硬顶板沿空巷道围岩控制技术难点对于围岩稳定性控制方案设计具有重要意义。工作面回风巷与 采空区之间留有 小煤柱试验段，特厚煤层高强度开采势必造成巷道强矿压显现，不利于巷道围岩稳定性控制。根据东古城煤业 工作面回风巷工程地质条件，分析研究了巷道围岩控制技术难点，主要包括以下几个方面：（）巷道受多次采动影响。工作面回风巷顶板共计受到 次剧烈采动影响，分别为相邻工作面回采、巷道掘进及本工作面回采，剧烈采动影响 年第 期崔佐军，等：特厚煤层坚硬顶板沿空巷道支卸协同控制技术及实践第 卷将导致顶煤物理力学性质变差，预计本工作面回采期间顶板离层、围岩错动滑移现象明显，严重时甚至会导致冒顶现象的产生。（）特厚煤层影响。不同于中厚煤层综采，特厚煤层综放开采空间尺寸会提高数倍，高强度开采必然引起覆岩的大面积扰动变形，导致采动影响范围扩大，巷道围岩控制难度提升。（）坚硬顶板影响。受工作面坚硬顶板影响，综放工作面相邻两侧 和 工作面回采时顶板难以自行垮落，基本顶初次来压步距分别为 和 ，导致工作面两巷矿压显现较为剧烈，出现顶板下沉、两帮移近、底鼓现象。通过理论计算和工程类比，预计 综放工作面初采时基本顶初次来压步距在 以上，此时顶板内大量弹性能无法得到释放，进而导致工作面超前支承压力影响范围显著增加，使得工作面前方大范围巷道均处与高应力环境，不利于巷道维护。同时，悬顶面积过大导致的顶板突然大面积垮落将瞬间释放顶板聚集的弹性能，回采巷道必然出现强矿压显现。（）巷道上覆岩层运动影响。工作面回风巷掘进期间上覆岩体结构平面及剖面如图 所示。图 工作面回采后上覆岩层破断结构示意 由图 可知，工作面回采时其侧向基本顶发生破断，形成弧三角形块 ，岩块 的一端经过回转和弯曲下沉后在 工作面采空区触矸，另一端断裂在 工作面的煤壁中。由于弧形三角块 下方正是 回风巷掘进位置，会造成巷道上方侧向顶板位置处存在悬顶结构，悬顶结构的回转下沉直接影响下方煤体的应力分布状态和变形规律，是造成沿空巷道剧烈变形及煤柱失稳的重要原因。特厚煤层坚硬顶板沿空巷道支卸协同控制技术针对 工作面特厚煤层坚硬顶板沿空巷道围岩控制技术难点，提出 工作面回风巷支卸协同控制技术，提高巷道支护强度的同时，采用水力压裂切顶卸压的方式改善巷道所处应力环境，提高巷道整体稳定性。支卸协同控制技术原理 沿空巷道围岩控制基本原理保持小煤柱侧帮部及煤柱整体稳定是控制 工作面回风巷围岩稳定性的关键。巷道开挖会使得围岩应力重新分布，并在巷道帮部形成支承压力带，导致两帮煤体出现极限平衡区。由此可见，沿空巷道围岩控制应提高帮部支护强度，一方面可以增加帮部对顶板支承宽度，为巷道顶板提供更强的支承力，从而有效提高顶板整体稳定性；另一方面，提高巷帮支护强度可以明显增强帮部的竖向承载能力，提高帮部自身整体稳定性的同时顶板受力状况也可以得到改善。由顶帮互馈机制可知顶板稳定可以有效缓解帮部受力，从而使巷道帮部变形减小，形成强帮护顶良性作用机制，有利于提高沿空巷道围岩整体稳定性。水力压裂切顶卸压原理水力压裂切顶卸压首先在回采帮侧顶板布置钻孔，随后通过注水管注入高压水进行分段压裂，最终孔壁在高压水作用下产生宏微观裂隙并向深处扩展，降低坚硬顶板岩层强度并破坏其完整性。工作面推进过程中，原本难以自行垮落的坚硬顶板将沿着水力压裂切顶产生的裂隙自然断裂，从而减小采空区上方悬顶面积，阻止工作面超前支承压力向巷道更深更远的范围传递，改善工作面前方巷道整体应力环境，最终达到降低坚硬顶板条件下巷道维护难度的目的 。“锚带网索喷”强力支护技术方案 工作面回风巷断面为矩形，巷道高度为 年第 期煤炭科技第 卷 ，宽度 。为提高特厚煤层坚硬顶板沿空巷道围岩整体稳定性，提出 工作面回风巷“锚带网索喷”强力支护方案，即采用“高强螺纹钢锚杆 高强钢绞线锚索 钢带 钢筋网 喷浆”的技术方案进行支护，如图 所示。图 工作面回风巷支护 具体参数如下：锚杆选择高强螺纹钢锚杆，锚杆规格为 ，屈服强度不低于 ；锚索选择高强度低松弛预应力钢绞线锚索，极限破断拉力不低于 ；顶板锚索规格为 ，回采侧帮锚索规格为 ，煤柱侧帮锚索规格为 ；顶板和两帮护表构件分别采用 圆钢加工的钢筋网和 号铁丝编织的菱形金属网；顶板锚杆及煤柱侧帮锚索采用 型钢带连接；型钢带宽度 ，厚度 ；两帮锚杆采用 号圆钢梯子梁连接。巷道中顶、小煤柱侧帮采用喷浆封闭，喷浆强度 ，厚度为 。水力压裂切顶卸压技术方案（）水力压裂钻孔布置方案。在 工作面回风巷向工作面回采侧帮布置共计 组水力压裂切顶钻孔，钻孔布置方案如图 所示。钻孔的长度、角度、间距等参数根据顶板岩层结构、采高及采煤方法综合确定。钻孔位置距回采侧帮 ，钻孔直径为 ，与顶板之间的夹角为 ，与巷道走向的夹角为 ，钻孔斜深为 ，其中顶煤层斜深 ，顶板岩层段斜深 ，钻孔间距为 。每组水力压裂钻孔压裂长度为 ，工程量总计为 。压裂采用倒退式分段压裂法，每隔 压裂 次。施工泵压为 ，压裂时首条裂隙产生后水压先下降后保压，裂隙向深处扩展的同时也会产生新的裂隙，此过程中时刻监测压力表及相邻钻孔出水情况，保证顶板岩层充分破裂。（）压裂效果分析。通过水力压裂钻孔窥视评价工作面顶板水力压裂切顶效果。水力压裂工作结束后，采用智能钻孔窥视数字成像仪观测压裂钻孔裂隙情况，典型钻孔压裂段观测到的宏观裂隙如图所示。该钻孔窥视长度为 ，钻孔各压裂处均观测到了不同数量的压裂裂隙，这些裂隙使得顶板结构完整性得到破坏，防止工作面推进过程中顶板难以自行垮落的现象发生，改善巷道整体应力环境，年第 期崔佐军，等：特厚煤层坚硬顶板沿空巷道支卸协同控制技术及实践第 卷有利于坚硬顶板巷道围岩稳定性控制。图 水力压裂钻孔布置示意 图 典型钻孔压裂段观测到的宏观裂隙 工程应用 顶板初次来压步距监测为研究 工作面回风巷支卸协同控制技术对特厚煤层综放面坚硬顶板来压步距的影响，在 工作面初采期间进行现场来压步距监测，监测内容包括顶煤初次垮落步距和基本顶初次来压步距等。综放工作面实施水力压裂切顶卸压技术方案后，顶煤初次垮落步距为 ，当工作面推进至 位置时，工作面开始放煤；当工作面推进至 时，基本顶断裂，工作面初次来压。由此可见，综放工作面基本顶初次来压步距由 缩短至 。通过实施水力压裂切顶卸压技术方案，解决了初采期间坚硬顶板难以及时垮落引发悬顶面积过大的问题，井下工作人员及设备安全得到保障。围岩变形监测分别在 工作面两巷掘进期间和工作面回采期间采用中腰线“十”字布点法开展了巷道表面位移监测工作，用于监测巷道顶底板及两帮位移量，如图 所示。图 工作面回风巷围岩表面位移监测点布置 图 和图 分别给出了东古城煤业 工作面回风巷掘巷和回采期间表面位移观测曲线。从图中可以看出，工作面回风巷道掘进期间两帮最大变形量 ，顶底板最大变形量 ；工作面回采期间两帮变形量最大值为 ，顶底板最大变形量 。由此可见，巷道掘进及回采期间围岩变形量较小，本文提出的 工作面回 年第 期煤炭科技第 卷风巷支卸协同控制技术效果显著，有力保障了东古城煤业的安全高效生产。图 工作面回风巷掘进期间围岩变形量 图 工作面回风巷回采期间围岩变形量 结论分析了东古城煤业 工作面特厚煤层坚硬顶板沿空巷道围岩控制技术难点，提出了支卸协同控制技术方案，并开展了现场工业性试验及巷道围岩变形监测，得到以下结论：（）分析得到了特厚煤层坚硬顶板沿空巷道围岩控制技术关键难点为综放回采空间大、坚硬顶板大面积悬顶及上覆岩层剧烈回转下沉等因素叠加作用。（）提出了以“高强螺纹钢锚杆 高强钢绞线锚索 钢带 钢筋网 中顶、小煤柱侧帮喷浆 水力压裂切顶卸压”为核心的 特厚煤层坚硬顶板沿空巷道支卸协同控制技术方案，从整体上提高巷道围岩尤其是小煤柱侧支护强度，同时改善巷道围岩整体应力环境。（）开展了东古城煤业 工作面回风巷支卸协同控制技术现场试验以及水力压裂切顶效果、巷道矿压显现规律现场监测。监测结果表明，采用新型支卸协同控制技术后，基本顶初次来压步距由 缩短至 ；工作面回采期间顶底板最大变形量 ，两帮变形量相对较大，最大值为 ，取得了预期效果。参考文献（）：岳帅帅，谢生荣，陈冬冬，等 特厚煤层综放高强度开采窄煤柱围岩控制研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：刘篧鑫，高明仕，贺永亮，等 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