齊紅霞，何 康，賀相乾，楊舜超，張 源

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 呂梁 030500)

煤炭是保障我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要能源之一，長久以來其在能源消費結(jié)構(gòu)中一直占據(jù)主體地位，以2020年為例，我國煤炭消費量占能源消費總量的56.8%[1]。與煤礦目前主要采用的留區(qū)段煤柱開采方式相比，沿空留巷通過取消區(qū)段煤柱，實現(xiàn)無煤柱連續(xù)開采，有利于提高回采率，減少巷道掘進(jìn)量，進(jìn)而緩解采掘接替緊張的局面[2]。沿空留巷需經(jīng)歷多次采動影響，而強烈采動支承應(yīng)力易導(dǎo)致巷道圍巖變形劇烈[3，4]，圍繞沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制，陳立軍[5]提出在恒阻大變形錨索和鋼帶加固的基礎(chǔ)上，采用深孔預(yù)裂爆破、臨時和永久支護(hù)加固頂板以及U型鋼擋矸的一套控制技術(shù)，實現(xiàn)一次采全高綜采工作面切頂卸壓沿空留巷；王蘇健等[6]針對象山礦三軟煤層沿空留巷底鼓嚴(yán)重問題，提出集π型梁、沿空留巷專用單體和高強柱鞋為一體的控制技術(shù)；何向?qū)嶽7]、鄭立軍等[8]針對大埋深、高地應(yīng)力和堅硬頂板條件下沿空留巷穩(wěn)定性控制難題，分別提出“淺孔爆破+窄充填體+高強錨索加強頂板”支護(hù)、定向預(yù)裂爆破、擋矸防護(hù)系統(tǒng)等一套控制技術(shù)；方基詳[9]、沙旋等[10]針對厚煤層沿空留巷分別提出卸壓和高預(yù)應(yīng)力強力支護(hù)技術(shù)；唐芙蓉等[11]針對厚層軟巖頂板條件沿空留巷，提出“斷頂卸壓+巷旁垮落充填”控制技術(shù)；張國鋒等[12]、陳金明等[13]提出爆破切頂和恒阻錨索加固聯(lián)合控制技術(shù)；陳金宇[14]提出采用水力卸壓和強力錨網(wǎng)協(xié)同技術(shù)；范凱[15]提出“切頂爆破+切頂長錨索配合錨索錨固增效結(jié)構(gòu)+切頂支柱與半封閉式小型框式切頂支架”聯(lián)合控制技術(shù)。研究學(xué)者前期針對堅硬頂板、傾斜煤層、厚煤層等條件提出了相應(yīng)的沿空留巷圍巖控制技術(shù)，但對于深部近距離煤層群條件下沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制研究較少。本文主要針對中興煤礦深部近距離煤層群下層沿空留巷大變形問題，提出水力致裂切頂和注漿錨索錨固一體化控制技術(shù)，并在現(xiàn)場典型巷道進(jìn)行成功實踐。

1 工程概況

1.1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

中興煤礦3203工作面上覆為30203工作面，3203工作面布置如圖1所示。其中，3203工作面主采2#煤層，2#煤為二疊系下統(tǒng)山西組煤層，煤層厚度1.6～2.3m，平均厚度2.1m；工作面沿2#煤層掘進(jìn)，煤層結(jié)構(gòu)簡單，所采煤層為中灰低硫之主焦煤，煤層傾角2°～10°，平均傾角7°；30203工作面主采02#煤層，平均厚度1.28m；2#煤與02#煤層間距為6.5～12m，3203工作面煤巖層柱狀圖如圖2所示。

圖1 3203工作面布置

圖2 3203工作面煤巖層柱狀圖

3203運輸巷沿空留巷支護(hù)布置如圖3所示，沿空留巷充填體位置選擇在機頭采空側(cè)第1、2個支架后方，充填包規(guī)格根據(jù)實際情況采用兩種：長×寬×高=4000mm×2500mm×3000mm和長×寬×高=3000mm×2500mm×3000mm，充填后巷道凈寬為4200mm。沿空留巷內(nèi)采用3600mm的π型梁及單體支柱垂直巷道布置“一梁三柱”加強支護(hù)，兩幫支柱距離梁頭200mm，距離兩幫各500mm，中間支柱居中布置，梁距1600mm。

圖3 3203運輸巷沿空留巷支護(hù)布置(mm)

1.2 留巷圍巖變形觀測

3203運輸巷沿空留巷圍巖整體變形較大，所觀測的留巷斷面頂?shù)装遄钚「叨葹?.68m，兩幫最小寬度為3.15m，如圖4所示。其中頂板下沉以中間變形量最大，煤側(cè)幫碎裂，并呈現(xiàn)整體移動，充填幫側(cè)出現(xiàn)整體或局部鋸齒狀鼓出。

圖4 3203運輸巷沿空留巷圍巖典型斷面破壞素描

2 沿空留巷圍巖應(yīng)力和變形特征數(shù)值模擬

根據(jù)中興煤礦3203工作面開采區(qū)域的鉆孔資料，利用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值計算模型，如圖5所示，本構(gòu)模型為摩爾-庫倫模型，2號煤層埋深為600m左右，煤層所處原巖地應(yīng)力約為15MPa，數(shù)值模擬的巖層參數(shù)見表1。根據(jù)模擬高度和覆巖厚度關(guān)系，在模型頂面施加13MPa的原巖應(yīng)力模擬覆巖自重，兩邊固定水平位移，底邊固定垂直位移。先后開采30203工作面和3203工作面，模型在每一次開采運算至平衡后再進(jìn)行下一步的開采，分析工作面開采過程3203運輸巷留巷圍巖應(yīng)力場變化特征。

圖5 三維數(shù)值模型的煤巖層與工作面布置

在鄰近工作面3205實體煤中選取距3203運巷煤壁3m、間距為80m的3個測點作為巷道圍巖的應(yīng)力監(jiān)測點，隨30203工作面回采80m，160m和240m時，測點垂直應(yīng)力變化特征如圖6所示，由圖6可得：①上覆30203工作面開采過程中形成的采動應(yīng)力對3203運巷圍巖有一定影響，隨著開采范圍增加，巷道圍巖承受的應(yīng)力范圍逐步增大，在開采240m范圍，監(jiān)測點最大垂直應(yīng)力增加到20.51MPa，整體影響較顯著；②不同開采范圍巷道圍巖垂直應(yīng)力均呈現(xiàn)先增加后逐步減小并趨于穩(wěn)定的變化過程，但30205工作面影響范圍均高于原巖應(yīng)力值，說明該巷道圍巖均受到采動應(yīng)力作用影響。

表1 計算模型中煤巖層力學(xué)參數(shù)

圖6 30203工作面不同開采距離時3203運輸巷圍巖應(yīng)力變化特征

在30203工作面開采完成后，隨著3203工作面回采范圍增加，3203運輸巷留巷圍巖應(yīng)力變化特征如圖7所示，由圖7可得：①隨著開采范圍的增加，巷道圍巖最大垂直應(yīng)力也逐步增加，從開采長度80m時的26.21MPa增加到開采長度240m時的34.71MPa，留巷圍巖承受較高的采動支承應(yīng)力；②對于同一開采范圍而言，沿空留巷圍巖應(yīng)力仍呈現(xiàn)先增加后減小，最后趨于穩(wěn)定的變化過程；③較上覆30203工作面，3203工作面開采過程中留巷圍巖呈現(xiàn)更顯著的應(yīng)力集中。

圖7 3203工作面不同開采距離時沿空留巷圍巖應(yīng)力變化特征

為了研究工作面開采過程沿空留巷圍巖位移變化特征，以3203運輸巷留巷為研究對象，結(jié)合巷道圍巖的支護(hù)方案，建立工作面開采過程沿空留巷圍巖位移場分析模型，模型尺寸為55m×4.4m×40m；側(cè)壓系數(shù)為1.5，模型的側(cè)邊界和底邊界采用位移約束，本構(gòu)模型為摩爾-庫倫模型。

30203和3203工作面順序開采后在留巷圍巖中的最大應(yīng)力集中系數(shù)為2.26，在此基礎(chǔ)上，模擬3203工作面開采時3203運輸巷沿空留巷圍巖變形特征，如圖8所示，由圖8可得：留巷頂?shù)装遄畲蟠怪蔽灰坪蛢蓭妥畲笏轿灰品謩e達(dá)1177.4mm和982.78mm，說明3203工作面回采后，沿空留巷圍巖呈現(xiàn)整體大變形破壞。

圖8 3203運輸巷沿空留巷圍巖位移云圖(m)

3 沿空留巷切頂錨注一體化控制技術(shù)應(yīng)用

3.1 試驗方案和參數(shù)

基于3203運輸巷沿空留巷圍巖呈現(xiàn)的高應(yīng)力和大變形特征，提出采用水力致裂切頂和中空注漿錨索一體化控制技術(shù)，實現(xiàn)覆巖大結(jié)構(gòu)范圍的采動卸壓和巷道圍巖頂板錨索支護(hù)范圍內(nèi)小結(jié)構(gòu)的強化加固，充分保障充填墻體和留巷圍巖的穩(wěn)定。

在3203運輸巷頂板沿走向方向布置水力致裂鉆孔，相鄰鉆孔之間布置5排1×8 股的?21.6mm×7300mm注漿錨索，每排注漿錨索3根，注漿錨索均垂直于頂板布置，注漿錨索間排距為1200mm×1600mm，距離回采工作面 30m開始安裝，注漿壓力4～5MPa，采用300mm×300mm×16mm高強錳鋼鼓形托盤，單排注漿錨索間采用尺寸為 4100mm×280mm×3mm 的W 形鋼帶進(jìn)行連接；單組水力致裂鉆孔超前工作面距離150m，開孔位置距離巷道東側(cè)幫1.5m，孔口布置呈一條直線，鉆孔17～30m，每2m水力預(yù)裂一次，采用倒退式壓裂，壓裂垂直距離在頂板以上12～21m范圍內(nèi)，壓裂水平距離在充填墻體靠近采空區(qū)墻邊1～7.1m范圍內(nèi)，布置方式如圖9所示。

圖9 水力致裂切頂和注漿錨索一體化控制方案

3.2 支護(hù)效果監(jiān)測

為了分析3203運輸巷沿空留巷圍巖控制效果，對試驗段巷道頂板離層和圍巖變形量進(jìn)行觀測。設(shè)置的頂板離層儀的淺部基點和深部基點分別距巷道頂板表面2.5m和7.5m，現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)留巷期間工作面前方巷道頂板基本無離層，在留巷后各監(jiān)測點的離層值變化整體較小，選擇典型離層監(jiān)測點記錄的離層值進(jìn)行分析，其中深部基點離層顯示為0，淺部基點變化情況如圖10所示。由圖10可得：①頂板離層大小隨工作面回采呈現(xiàn)臺階式變化過程；②在滯后工作面20m范圍內(nèi)頂板離層變化較顯著，在滯后工作面36m后則保持不變；③在監(jiān)測的滯后工作面60m范圍內(nèi)留巷頂板離層最大值為15mm，說明錨索注漿加固和水力致裂切頂卸壓聯(lián)合控制有效控制了留巷頂板離層；另外，巷道圍巖變形量顯示頂?shù)装逡平坎怀^162mm，兩幫移近量不超過90mm，整體控制效果良好。

圖10 留巷期間工作面后方巷道頂板離層變化特征

4 結(jié) 論

1)3203運輸巷沿空留巷圍巖整體變形較大，其中頂板中間下沉量最大，煤側(cè)幫碎裂，并呈現(xiàn)整體移動，充填幫側(cè)出現(xiàn)整體或局部鋸齒狀鼓出。

2)數(shù)值模擬分析得出30203和3203工作面順序開采后在3203運輸巷沿空留巷圍巖中的最大應(yīng)力集中系數(shù)為2.26，最大垂直位移和水平位移分別達(dá)1177.4mm和982.78mm。

3)3203運輸巷沿空留巷圍巖水力致裂切頂和注漿錨索一體化控制工業(yè)性試驗結(jié)果顯示：滯后工作面60m范圍內(nèi)留巷頂板離層最大值為15mm，頂?shù)装逡平坎怀^162mm，兩幫移近量不超過90mm，說明水力致裂切頂和注漿錨索一體化技術(shù)大幅降低頂板的離層量和巷道圍巖變形量。