寺河矿6301大采高综采工作面切顶卸压护巷技术研究

石亚男(晋城煤业集团寺河煤矿， 山西 晋城 048000)

1 前言

寺河矿主采3#煤平均厚度6.0m，大采高造成工作面回采后巷道围岩变形破坏严重，影响工作面安全回采。为了减小围岩变形量，通过分析采空区覆岩的运行规律，采用切顶卸压留小煤柱护巷技术，减小覆岩作用在巷道顶板上压力，减小巷道围岩的应力集中，提高巷道围岩的稳定性，避免二次或多次修巷[1-2]。切顶卸压技术主要通过中深孔爆破、水压致裂以及煤层注浆等措施实施，改变巷道围岩的应力分布，保证工作面安全回采。

寺河矿6301大采高综采工作面北为6302工作面，南为寺河煤矿井田边界保护煤柱，北东为东六盘区胶带巷。工作面走向长度1 466m，倾斜长度296m。主采煤层为3#煤，煤层平均厚度6.0m，平均倾角5°。工作面采用“三进两回”的布置方式，即上工作面回采结束后保留两回风巷作为下工作面进风巷。两条巷道受到两次动压的影响，应力叠加造成巷道围岩变形破坏严重，需采用切顶卸压技术，减小巷道围岩变形[3]。

2 巷道围岩变形规律

6301工作面回采后两条进风巷受两次动压影响，第一次作为上工作面回风巷时主要受侧向支承压力影响，第二次作为进风巷主要受超前支承压力的影响。根据研究表明，厚煤层大采高工作面采动后巷道围岩变形不仅表现出滞后特征，还会出现不同变形规律的分区破坏。在6301工作面两进风巷分别设置4个监测点，监测巷道围岩变形特征，监测结果如图1所示。

图1 6301工作面进风巷围岩变形规律

由图1可知，6301工作面回采后两进风巷围岩变形不仅表现明显滞后性，还出现了分区变形特征，在工作面后方不同位置变形情况不同，具体分区见表1。

表1 进风巷围岩变形分区表

3 顶板垮落特征

3.1 模拟方案

采用相似模拟实验，模拟6301工作面回采后上覆岩层的运动规律，根据工作面地质条件，建立500m×200m×50m模型，相似系数见表2。

3.2 模拟结果分析

通过开挖模拟，观察覆岩的运动规律，当模型挖到38cm时，工作面直接顶发生初次垮落，垮落块度长37cm。6301工作面直接打初次垮落如图2所示。

表2 模型尺寸及相似常数

图2 直接顶初次垮落图

随着模型开挖，不同推进距离覆岩运动如图3所示。

由图3可知，当模型挖到63cm时，工作面覆岩中粒砂岩层开始呈梯形状整体初次垮落，垮落时，采空区自由空间高度为5cm；模型挖到82cm时，工作面直接顶第一层6.5cm、第二层23cm和煤层附近中粒砂岩层同时垮落；模型挖到102cm时，工作面关键层即中粒砂岩层发生第二次周期性垮落，垮落岩块长度12.5cm；模型挖到117cm时，工作面3#煤上部第一层直接顶6.5cm，第二层直接顶21cm一起垮落。6301工作面基本顶垮落规律见表3。

根据相似模拟实验可知，6301工作面基本顶初次来压步距50.4m，平均周期来压步距为14.4m，来压不明显。

4 切顶卸压技术研究

4.1 中深孔爆破

6301工作面采用中深孔爆破切顶+深孔水力压裂联合施工，释放顶板集中的应力，减小巷道围岩变形破坏。在工作面63011巷实施切顶护巷技术，在距切眼300m位置开始施工，至距切眼600m后停止施工。

中深孔爆破钻孔间距2m，共布置151个钻孔，孔深为31.5m；每两个爆破钻孔间布置1个空孔，增加自由面，提高爆破效果，共计150个空孔。根据6301工作面实际情况，确定钻孔位置为距煤柱帮700mm处，孔倾角β向工作面后方倾斜，α=0°，β=75°，孔径75mm。

6301工作面直接顶为平均厚h1=2.2m顶煤，基本顶为累积厚h2=20.9m砂岩，其他为累积厚度h3=7.2m软弱岩层。其上覆6.23m的细砂岩和3.91m的中粒砂岩为第一亚关键层，其上的6.58m的粉砂岩细粒砂岩以及4.16m的粉砂岩为第二亚关键层(复合关键层)，因此切缝高度H0=h1+h2+h3=30.3m。

图3 不同推进距离基本顶垮落情况

表3 工作面基本顶垮落规律

钻孔深度H为[4-5]：

式中：H0——6301工作面切顶的上边界高度，H0=30.3m；

α——在巷道断面图中，钻孔与竖直方向的夹角，α=0°；

β——在巷道中线剖面图中，钻孔与水平方向的夹角，β=75°；

0.1——钻孔穿过第4层硬岩厚度，取0.1m。

由此可知，预裂钻孔深度H=31.5m

4.2 水压致裂

深孔水压致裂间距10m，31个深孔，孔深60m；水力压裂钻孔仅在钻孔深部25m内进行压裂，钻孔浅部35m不进行压裂，主要压裂顶板裂隙带岩层。钻孔布置如图4所示。

4.3 注浆加固

由于63015巷与63011巷之间净煤柱宽度为15.25m，为进一步提高巷道围岩强度，需对63011巷切顶卸压段进行煤帮注浆加固。选用QB152型便携式注浆泵，注浆液采用高水速凝材料，在63015巷两帮均布置注浆钻孔，注浆参数见表4。

5 卸压效果检验

6301工作面采用切顶卸压技术后，需要对卸压效果进行检验。分别检验63015巷距工作面切眼200～300m段和300～600m段。通过“十字布点”监测顶板和两帮围岩变形量，验证支护效果，测站布置位置见表5。

图4 钻孔布置示意图

表4 注浆加固参数

表5 围岩变形测站布置表

根据监测结果可知，在观测4个月的时间内，63015巷顶帮200～300m段和300～600m段累计围岩变形量分别为28mm、35mm。由此可知，巷道切顶卸压技术取得了良好的效果，有效减小了围岩变形量，减少了巷道维修的次数。

6 结论

(1)6301大采高工作面采用“三进两回”的布置方式，两条进风巷受两次动压影响不仅表现明显滞后性，还出现了分区变形特征，在工作面后方不同位置变形情况不同。采用相似模拟实验模拟覆岩运动规律，为切顶卸压技术提供力学依据，根据模拟结果可知，6301工作面基本顶初次来压步距50.4m，平均周期来压步距为14.4m，来压不明显。

(2)在工作面63011巷采用中深孔爆破切顶+深孔水力压裂联合施工技术，分别确定钻孔的参数，为进一步提高巷道围岩强度，对63011巷切顶卸压段进行煤帮注浆加固。通过“十字布点”监测63015巷围岩变形量验证支护效果，根据监测结果可知，顶帮200～300m段和300～600m段累计围岩变形量分别为28mm、35mm，切顶卸压取得了明显效果。