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厚煤层沿空掘巷水力切顶围岩控制技术实践
摘要：针对厚煤层综采工作面留设煤柱沿空掘巷巷道围岩大变形技术难题，以陕西黄陵二号煤矿422工作面回风巷为工程背景，分析切顶卸压围岩稳定控制机理，认为切顶卸压节理为切断应力传递路径、减小悬顶长度、改善应力集中，理论确定了切顶高度及角度等技术参数。结合422工作面生产条件，确定了422回风巷煤柱侧水压致裂切顶卸压技术方案并应用于现场实践。现场监测结果表明，422回风巷采用切顶卸压技术后，两帮收敛量最大为148 mm，顶底板移近量最大为174 mm，有效降低了巷道围岩应力，保证工作面安全高效回采。
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厚煤层坚硬顶板条件下的沿空掘巷巷道围岩大变形[1],一直是煤炭生产企业与国内外专家学者重点关注的问题，其主要原因是煤柱宽度不合理、支护强度不足[2]、侧向悬顶较长[3]、悬顶运动过程中的动压扰动等[4]。针对侧向悬顶过长、难冒落这一诱因，国内外综采工作面常用预裂爆破[5]和水压致裂[6]2种主动干预手段。相对于预裂爆破技术而言，水压致裂切顶卸压具有切顶深度高、范围大、操作方便、安全性好等[7]显著优势，已在我国不同矿区综采工作面展开试验和推广并取得显著成效。国内外研究人员针对切顶卸压机理[8]、沿空掘巷围岩控制[9]、冲击地压防治[10]及裂缝扩展规律等[11]方面展开相关研究并用于现场施工指导。康红普等[12]结合断裂力学理论，分析了煤岩层水压致裂裂缝的扩展机理及主要影响因素，为煤矿井下安全回采及高应力巷道围岩控制提供理论和实践依据。许磊等[13]综合分析了近位关键层切顶卸压关键参数对沿空掘巷围岩变形的影响规律并确定了合理保护煤柱宽度及切顶参数。牛同会[14]在分析了坚硬顶板悬顶对矿压规律显现特征基础上，提出了分段水压致裂技术，并在现场应用。黄炳香等[15]利用真三轴试验系统，揭示了应力差、裂隙等对水压裂缝的扩展影响机理，将坚硬顶板水压致裂成套技术应用于现场实践。
以上研究为坚硬顶板的人为干预控制提供了理论及现场实践依据，然而煤矿井下巷道围岩受采掘扰动及地应力的叠加影响，其变形机理难以量化表征且水压致裂裂缝扩展机理还未完全明确，针对具体地质情况还需进一步研究。为此，以黄陵二号煤矿422回风巷留设10 m煤柱沿空掘巷为工程背景，分析了厚煤层坚硬顶板下沿空掘巷切顶卸压控制机理，确定422回风巷水压致裂切顶卸压方案，并进行现场实践验证。
1、工程概况
黄陵二号煤矿隶属于陕西陕煤黄陵矿业公司，位于陕西省黄陵县双龙镇，核定年生产能力可达800万t/a,设计服务年限70 a。422工作面回风巷沿2号煤层顶板掘进与420工作面采空区之间留设10 m煤柱，总长度2 441.5 m,巷道平均埋深410 m。巷道位置及四邻关系如图1所示。
2号煤层结构简单，厚度变化较稳定(5.0～5.4 m),煤层平均厚度5.2 m,煤层近水平发育，一般倾角为0°～2°,平均0.5°。2号煤层直接顶粉砂岩厚度为17～19 m,基本顶细砂岩厚度为7～9 m,基本底细砂岩厚度为9～10 m,煤岩层综合柱状见表1。
422回风巷掘进断面为矩形4.8 m×3.8 m(宽×高),掘进断面18.24 m2,采用锚网索联合支护，巷道断面原支护设计如图2所示。
顶锚索使用ϕ21.8 mm×7 300 mm十九芯防腐锚索，间排距1 300 mm×2 000 mm, 3-0-3布置，配套使用T140钢带及T140-140 mm×150 mm钢垫片，顶角锚索与顶板呈75°,每根锚索使用1卷MSK2850和3卷MSZ2850锚固剂，T140钢带长度为4 100 mm。
顶锚杆采用ϕ22 mm×2 800 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×1 000 mm,配合钢筋梯子梁及钢托盘使用，每根锚杆使用1卷MSK2335和2卷MSZ2360锚固剂，钢筋梯子梁由ϕ16圆钢加工，长度4 200 mm。
回采帮锚杆采用ϕ22 mm×2 800 mm高强度树脂锚杆，间排距1 000 mm×1 000 mm,配套使用规格为400 mm×200 mm×50 mm的木托盘。煤柱侧帮部采用ϕ22 mm×2 800 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×1 000 mm,配合T100钢带及垫片支护，垫片规格为80 mm×80 mm×10 mm的钢托盘。T100长度分别为2 600 mm/1 000 mm。每根锚杆使用1卷MSK2335和1卷MSZ2360树脂药卷。
顶板采用规格为1 200 mm×5 200 mm铁丝菱形网，回采帮采用规格为1 200 mm×3 600 mm复合网，煤柱帮部采用规格为ϕ6.5 mm-1 000 mm×2 000 mm钢筋网片。
2、沿空掘巷切顶卸压围岩控制机理
2.1沿空掘巷大变形原因分析
工作面开采结束后，随着基本顶悬顶长度达到其极限跨距时发生周期性破断，采空区侧向顶板在煤体上方断裂形成A、B、C关键块。一般情况下不切顶时，422回风巷沿空掘巷顶板围岩结构如图3所示。
直接顶未完全垮落形成不稳定采空区。420工作面回采厚度5.2 m,直接顶为厚度18 m且强度较高的粉砂岩，工作面回采结束后，低位直接顶难以充分垮落充满采空区形成较大的自由空间，高位直接顶破断形成的不稳定铰接结构只能够短暂承受基本顶传递载荷，不能在掘巷扰动影响下保持长期稳定，此外煤柱在无稳定矸石结构提供的侧向围压条件下承载能力降低，变形破坏程度加剧。
基本顶悬顶长度大、回转过程中动载扰动程度高。422回风巷上方基本顶为8 m厚的坚硬细砂岩，其完整性好，悬顶长度大。根据面积分摊法，悬顶过长将进一步导致传递给煤柱的载荷增加，在回转下沉至触矸前采空区矸石无法对基本顶形成有效支撑，回转过程中形成的附加高应力对下方巷道围岩的破坏进一步增强，煤柱灾变失稳风险性高。
基本顶旋转下沉量大、周期长。采空区内的矸石未完全垮落，存在较大自由空间，基本顶回转下沉量大、稳定周期长，巷道围岩在长期附加高应力环境下会发生蠕变变形，难以实现保证沿空巷道的长期稳定。
2.2切顶卸压围岩控制机理分析
通过对沿空掘巷围岩大变形原因的分析，确定切顶卸压围岩控制机理。一是切断采动应力传递路径[16]降低其对侧向煤体的损伤扰动，提高沿空掘巷巷道围岩的强度。二是切顶提高采空区高位直接顶的垮落程度、消除基本顶向采空区旋转的自由空间，并促使矸石为煤柱提供侧向压力、对高位基本顶形成有效支撑。三是切顶减小巷道上方坚硬基本顶的侧向悬顶长度[17],降低基本顶旋转过程中的动压影响，改善巷道高应力环境，降低围岩的非对称大变形。四是切顶能够遏制基本顶较大位移的回转运动，并消除顶板高应力集中与煤柱大变形灾变失稳的动压联动效应。422回风巷煤柱侧坚硬顶板切顶卸压后围岩控制效果如图4所示。结合黄陵二号煤矿实际生产地质条件，422回风巷沿空掘巷切顶卸压采用水压致裂法施工。
3、水压致裂切顶卸压控制技术
切顶角度，切顶角度与钻机施工技术参数、巷道断面尺寸，顶板岩性特征等有关。切顶角度设计如图5所示。
切顶应避免对煤柱造成冲击损伤，保证煤柱能够稳定承载、基本顶运动过程中不发生滑落失稳。因此，切顶角度β需满足
式中，H为基本顶厚度，8.0 m;φ为基本顶关键块间的摩擦角，45°;L为基本顶跨距，16.8 m; M为煤层开采厚度，5.2 m;η为工作面采出率，厚煤层采出率为93%;kp为上覆岩层平均碎胀系数，取1.5;h为直接顶能够冒落的厚度，8.4 m。代入公式(1)即可得所需切顶角度为10°。
422回风巷煤柱侧切顶卸压方案设计如图6所示。切顶高度既要使冒落矸石充满采空区，又要保证基本顶能够顺利切断，根据综合柱状表，确定切顶层位为基本顶细砂岩，切顶高度为24 m(基本顶高度的2/3处)。钻孔直径65 mm;钻孔终孔深度由切顶角度和切顶高度确定，钻孔深度为26 m。在420胶带巷煤柱帮肩窝施工，钻孔仰角80°。结合现场经验，钻孔间距为10 m。每个压裂孔采用倒序法进行压裂施工共计压裂4次，压裂顺序为Y1→Y2→Y3→Y4。Y1点距离孔口24.5 m, Y2点距离孔口20 m, Y3点距离孔口14 m, Y4点距离孔口8 m。
4、沿空掘巷切顶卸压控制效果分析
4.1顶板水压致裂效果分析
对422回风巷煤柱侧水压致裂后顶板施工窥视钻孔，利用ZDYG100型钻孔窥视仪观测水压致裂切顶效果，如图7所示。可以看出，在压裂点所在区域附近，顶板岩层出现了环向及纵向交错裂纹，压裂效果良好。
4.2围岩变形监测结果分析
利用十字交叉法在422回风巷内布置2个监测测站，分析切顶与未切顶的巷道围岩变形特征，现场监测结果如图8所示。
由图8可知，切顶后围岩变形在掘进40 d趋于稳定，两帮最大移近量为148 mm,顶底板移近量最大为174 mm。相比不切顶条件下，巷道掘进稳定时间缩短40%,两帮移近量降低46%,顶底板移近量降低49%,可以有效控制围岩变形，确保巷道安全使用。
5、结论
(1)分析了422回风巷大变形原因及煤柱侧坚硬顶板切顶卸压机理，切顶卸压节理为切断应力传递路径、减小悬顶长度、改善应力集中。
(2)基于现场实际生产条件，确定了水压致裂现场施工技术参数，切顶高度24 m,钻孔深度26 m,角度80°,间距10 m,单孔压裂共计4个压裂点。
(3)钻孔窥视结果表明，高压水在坚硬岩层内产生大量相互贯通的次生裂隙，巷道顶底板移近量最大为174 mm,两帮收敛量最大达到148 mm,说明水压致裂切顶卸压应用效果良好，围岩高应力环境得到有效改善，保证了巷道的安全使用。
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文章来源:牟文辉,强丁.厚煤层沿空掘巷水力切顶围岩控制技术实践[J].陕西煤炭,2023,42(05):25-29.
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主办单位：陕西省煤炭工业协会,神华神东煤炭集团有限责任公司
出版地方：陕西
专业分类：煤矿
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2023-09-20
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