石亞男(晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦， 山西 晉城 048000)

1 前言

寺河礦主采3#煤平均厚度6.0m，大采高造成工作面回采后巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，影響工作面安全回采。為了減小圍巖變形量，通過(guò)分析采空區(qū)覆巖的運(yùn)行規(guī)律，采用切頂卸壓留小煤柱護(hù)巷技術(shù)，減小覆巖作用在巷道頂板上壓力，減小巷道圍巖的應(yīng)力集中，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，避免二次或多次修巷[1-2]。切頂卸壓技術(shù)主要通過(guò)中深孔爆破、水壓致裂以及煤層注漿等措施實(shí)施，改變巷道圍巖的應(yīng)力分布，保證工作面安全回采。

寺河礦6301大采高綜采工作面北為6302工作面，南為寺河煤礦井田邊界保護(hù)煤柱，北東為東六盤區(qū)膠帶巷。工作面走向長(zhǎng)度1 466m，傾斜長(zhǎng)度296m。主采煤層為3#煤，煤層平均厚度6.0m，平均傾角5°。工作面采用“三進(jìn)兩回”的布置方式，即上工作面回采結(jié)束后保留兩回風(fēng)巷作為下工作面進(jìn)風(fēng)巷。兩條巷道受到兩次動(dòng)壓的影響，應(yīng)力疊加造成巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，需采用切頂卸壓技術(shù)，減小巷道圍巖變形[3]。

2 巷道圍巖變形規(guī)律

6301工作面回采后兩條進(jìn)風(fēng)巷受兩次動(dòng)壓影響，第一次作為上工作面回風(fēng)巷時(shí)主要受側(cè)向支承壓力影響，第二次作為進(jìn)風(fēng)巷主要受超前支承壓力的影響。根據(jù)研究表明，厚煤層大采高工作面采動(dòng)后巷道圍巖變形不僅表現(xiàn)出滯后特征，還會(huì)出現(xiàn)不同變形規(guī)律的分區(qū)破壞。在6301工作面兩進(jìn)風(fēng)巷分別設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形特征，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 6301工作面進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形規(guī)律

由圖1可知，6301工作面回采后兩進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形不僅表現(xiàn)明顯滯后性，還出現(xiàn)了分區(qū)變形特征，在工作面后方不同位置變形情況不同，具體分區(qū)見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形分區(qū)表

3 頂板垮落特征

3.1 模擬方案

采用相似模擬實(shí)驗(yàn)，模擬6301工作面回采后上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)工作面地質(zhì)條件，建立500m×200m×50m模型，相似系數(shù)見(jiàn)表2。

3.2 模擬結(jié)果分析

通過(guò)開(kāi)挖模擬，觀察覆巖的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，當(dāng)模型挖到38cm時(shí)，工作面直接頂發(fā)生初次垮落，垮落塊度長(zhǎng)37cm。6301工作面直接打初次垮落如圖2所示。

表2 模型尺寸及相似常數(shù)

圖2 直接頂初次垮落圖

隨著模型開(kāi)挖，不同推進(jìn)距離覆巖運(yùn)動(dòng)如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)模型挖到63cm時(shí)，工作面覆巖中粒砂巖層開(kāi)始呈梯形狀整體初次垮落，垮落時(shí)，采空區(qū)自由空間高度為5cm；模型挖到82cm時(shí)，工作面直接頂?shù)谝粚?.5cm、第二層23cm和煤層附近中粒砂巖層同時(shí)垮落；模型挖到102cm時(shí)，工作面關(guān)鍵層即中粒砂巖層發(fā)生第二次周期性垮落，垮落巖塊長(zhǎng)度12.5cm；模型挖到117cm時(shí)，工作面3#煤上部第一層直接頂6.5cm，第二層直接頂21cm一起垮落。6301工作面基本頂垮落規(guī)律見(jiàn)表3。

根據(jù)相似模擬實(shí)驗(yàn)可知，6301工作面基本頂初次來(lái)壓步距50.4m，平均周期來(lái)壓步距為14.4m，來(lái)壓不明顯。

4 切頂卸壓技術(shù)研究

4.1 中深孔爆破

6301工作面采用中深孔爆破切頂+深孔水力壓裂聯(lián)合施工，釋放頂板集中的應(yīng)力，減小巷道圍巖變形破壞。在工作面63011巷實(shí)施切頂護(hù)巷技術(shù)，在距切眼300m位置開(kāi)始施工，至距切眼600m后停止施工。

中深孔爆破鉆孔間距2m，共布置151個(gè)鉆孔，孔深為31.5m；每?jī)蓚€(gè)爆破鉆孔間布置1個(gè)空孔，增加自由面，提高爆破效果，共計(jì)150個(gè)空孔。根據(jù)6301工作面實(shí)際情況，確定鉆孔位置為距煤柱幫700mm處，孔傾角β向工作面后方傾斜，α=0°，β=75°，孔徑75mm。

6301工作面直接頂為平均厚h1=2.2m頂煤，基本頂為累積厚h2=20.9m砂巖，其他為累積厚度h3=7.2m軟弱巖層。其上覆6.23m的細(xì)砂巖和3.91m的中粒砂巖為第一亞關(guān)鍵層，其上的6.58m的粉砂巖細(xì)粒砂巖以及4.16m的粉砂巖為第二亞關(guān)鍵層(復(fù)合關(guān)鍵層)，因此切縫高度H0=h1+h2+h3=30.3m。

圖3 不同推進(jìn)距離基本頂垮落情況

表3 工作面基本頂垮落規(guī)律

鉆孔深度H為[4-5]：

式中：H0——6301工作面切頂?shù)纳线吔绺叨?，H0=30.3m；

α——在巷道斷面圖中，鉆孔與豎直方向的夾角，α=0°；

β——在巷道中線剖面圖中，鉆孔與水平方向的夾角，β=75°；

0.1——鉆孔穿過(guò)第4層硬巖厚度，取0.1m。

由此可知，預(yù)裂鉆孔深度H=31.5m

4.2 水壓致裂

深孔水壓致裂間距10m，31個(gè)深孔，孔深60m；水力壓裂鉆孔僅在鉆孔深部25m內(nèi)進(jìn)行壓裂，鉆孔淺部35m不進(jìn)行壓裂，主要壓裂頂板裂隙帶巖層。鉆孔布置如圖4所示。

4.3 注漿加固

由于63015巷與63011巷之間凈煤柱寬度為15.25m，為進(jìn)一步提高巷道圍巖強(qiáng)度，需對(duì)63011巷切頂卸壓段進(jìn)行煤幫注漿加固。選用QB152型便攜式注漿泵，注漿液采用高水速凝材料，在63015巷兩幫均布置注漿鉆孔，注漿參數(shù)見(jiàn)表4。

5 卸壓效果檢驗(yàn)

6301工作面采用切頂卸壓技術(shù)后，需要對(duì)卸壓效果進(jìn)行檢驗(yàn)。分別檢驗(yàn)63015巷距工作面切眼200～300m段和300～600m段。通過(guò)“十字布點(diǎn)”監(jiān)測(cè)頂板和兩幫圍巖變形量，驗(yàn)證支護(hù)效果，測(cè)站布置位置見(jiàn)表5。

圖4 鉆孔布置示意圖

表4 注漿加固參數(shù)

表5 圍巖變形測(cè)站布置表

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在觀測(cè)4個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，63015巷頂幫200～300m段和300～600m段累計(jì)圍巖變形量分別為28mm、35mm。由此可知，巷道切頂卸壓技術(shù)取得了良好的效果，有效減小了圍巖變形量，減少了巷道維修的次數(shù)。

6 結(jié)論

(1)6301大采高工作面采用“三進(jìn)兩回”的布置方式，兩條進(jìn)風(fēng)巷受兩次動(dòng)壓影響不僅表現(xiàn)明顯滯后性，還出現(xiàn)了分區(qū)變形特征，在工作面后方不同位置變形情況不同。采用相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為切頂卸壓技術(shù)提供力學(xué)依據(jù)，根據(jù)模擬結(jié)果可知，6301工作面基本頂初次來(lái)壓步距50.4m，平均周期來(lái)壓步距為14.4m，來(lái)壓不明顯。

(2)在工作面63011巷采用中深孔爆破切頂+深孔水力壓裂聯(lián)合施工技術(shù)，分別確定鉆孔的參數(shù)，為進(jìn)一步提高巷道圍巖強(qiáng)度，對(duì)63011巷切頂卸壓段進(jìn)行煤幫注漿加固。通過(guò)“十字布點(diǎn)”監(jiān)測(cè)63015巷圍巖變形量驗(yàn)證支護(hù)效果，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，頂幫200～300m段和300～600m段累計(jì)圍巖變形量分別為28mm、35mm，切頂卸壓取得了明顯效果。