二次采动影响下回采巷道矿压显现及控制技术研究

任建慧

(神东煤炭集团有限责任公司 布尔台煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

近年来，随着煤矿开采强度逐渐增大，开采速度日益加快，导致煤矿生产条件也愈加复杂，造成矿压显现日益突出；结合神东矿区实际生产特征，其工作面走向长度大、推进快、装备大功率型设备，为了缓解采掘接续紧张，提高煤炭回采率，神东矿区广泛采用双巷布置工作面，回采巷道掘进方式多为两条甚至三条巷道同时掘出，导致部分需要保留的回采巷道受到多次采动影响，即始终有一条受多次采动影响巷道(留巷)，矿压显现剧烈，巷道围岩稳定控制困难，维修费时费力，这种双巷甚至三巷的布置方式下复杂的矿压显现直接影响着矿井的生产。

布尔台煤矿42煤存在应力集中现象，综放工作面回采期间超前矿压显现剧烈，巷道围岩变形严重，直接影响综放面回采。42105工作面回采期间发生过7次大的顶板来压，导致157根单体折损、机尾段支架安全阀损坏；42106工作面回采期间发生了6次大的顶板来压，辅运巷底鼓严重，超前支架倒架，影响工作面正常推进；42107工作面回采期间发生了6次大的顶板来压，存在机尾超前段矿压显现剧烈、巷道收敛变形严重等问题。因此，随着开采强度、开采深度的加大，亟需对多次采动影响下，留巷围岩破坏演化机理开展一系列理论和实践研究，厘清采动影响下回采巷道矿压显现规律及稳定机制。通过对布尔台煤矿42107综放工作面辅运巷矿压显现规律进行监测、分析，总结采动影响下巷道围岩破坏、变形机制，提出采取水力压裂卸压、注浆加固及优化补强支护措施联合加固支护技术方案，解决了采动影响下回采巷道矿压显现剧烈难题，有效控制巷道变形，使其满足生产要求。

1 试验巷道工程地质条件

布尔台煤矿42107综放工作面布置在42煤一盘区，上部(东北部)为42106工作面(已回采)，下部为42108工作面(尚未回采)，该辅运巷设计长5381m，沿底掘进，断面形状为矩形，宽×高=5400mm×3600mm，埋深310～471m，煤层底板的最低处在切眼附近，回采总体呈正坡推进。42107辅运巷所在的煤层厚度为3.46～7.05m，平均6.13m，煤层倾角3°～9°。根据三维地震勘探资料分析，煤层赋存稳定，结构简单；辅运巷道上方顶底板情况见表1。

42106工作面回采时42107辅运巷作为回风巷及辅助运输巷，待42107综放工作面回采时又作为进风巷及辅助运输巷为其服务，则42107辅运巷受到多次采动影响。此外，42107综放工作面煤层上覆松散层厚2.5～25.9m，该工作面上部为22煤层22106、22107工作面采空区，与上方22煤层间距为45～78m，局部为22煤层回采的遗留煤柱区域，主要包括22106、22107工作面跳采遗留的2块煤柱区域，各工作面与巷道位置关系如图1所示。

表1 辅运巷道上方煤层顶底板岩性

图1 布尔台煤矿42107综放工作面位置关系

2 采动影响下巷道围岩失稳机理

2.1 巷道矿压显现规律监测及理论分析

为了查明采动影响下巷道围岩变形失稳机理，掌握采动影响下巷道矿压显现规律，制定了现场监测方案，来监测42107工作面辅运巷围岩的表面位移、深部位移及锚索受力等变化参数。

2.1.1 表面位移监测结果

根据所测得的观测区域内表面位移数据，整理出巷道围岩移近量并成曲线如图2所示。由图2可知，42107辅运巷位于埋深460m区域及22上覆遗留煤柱下方位置，由于受高地应力和叠加集中应力作用，该区段巷道表面收敛变形显著大于正常区段；且在回采工作面前方160m，巷道收敛变形速率加快；进一步对比分析，埋深460m区域内的辅运巷两帮围岩的移近量大于顶底板；位于22上覆遗留煤柱下方位置区域内的辅运巷挖底施工后，两帮移近量显著增加；正常区段内的辅运巷顶底板移近量大于两帮，在回采工作面前方120m，巷道收敛变形速率加快。

2.1.2 深部位移监测结果

42107辅运巷不同区域位置巷道围岩深部多点位移数据曲线如图3所示。由图3可知，随着工作面逐步回采推进，42107辅运巷顶板运移逐渐增强，受采动影响愈加明显，顶板3m内岩层整体下沉，1.8m至3m出现离层，且离层值约为10mm；进一步对比分析，埋深460m区域及上覆遗留煤柱下方，顶板岩层运移较正常区域显著，且埋深460m区域及上覆遗留煤柱下方辅运巷深部围岩位移变化量分别为正常区的1.3倍、2.5倍。

图2 42107辅运巷道表面位移曲线

图3 42107辅运巷道围岩深部位移曲线

2.1.3 锚索受力监测

42107辅运巷不同区域位置顶板锚索受力数据曲线如图4所示，由图4可知，回采过程中，42107辅运巷顶板锚索受力出现频繁波动，反映了岩层在采动影响下活动频繁。分析图4(a)可知，2018年3月15日，工作面推进348.5m，此时距工作面71.5m处锚索受力显著增大，表明埋深460m区域位置范围内超前71.5m顶板岩层受采动影响显著；分析图4(b)可知，4月10日，工作面推进594m(进入上覆遗留煤柱下方)，此时距工作面166m处锚索受力突增，且呈现瞬时动态变化，表明在上覆遗留煤柱影响下超前166m范围内顶板岩层受采动影响明显；且锚索受力先突增后降低，究其原因为相邻采空区侧岩层回转导致42107辅运巷上方坚硬顶板岩层出现回弹现象所致；对比分析，埋深460m区域，受高地应力影响，顶板锚索受力虽然波动较小，但整体受力较大，为正常锚索受力的1.4倍；在上覆遗留煤柱下方，顶板锚索受力动态波动显著，为正常锚索受力的1.6倍。

图4 42107辅运巷道锚索受力曲线

2.2 采动影响下巷道围岩受力力学模型

基于现场工程实验所监测的矿压显现规律，结合矿压理论进行深入分析，针对布尔台煤矿42107辅运巷受采动影响导致围岩变形呈现动载特性，且呈现非对称分布状态。巷道围岩变形破坏程度是由塑性区的大小和形态以及巷道围岩应力分布状态共同决定的，因此，为了查明采动影响下回采巷道围岩破坏与变形失稳机理，对采动影响下回采巷道围岩应力分布状态及塑性区的大小和形态进行理论分析，构建采动影响下回采巷道围岩受力力学模型如图5所示。由图5分析采动影响下回采巷道围岩应力影响因素及作用机制主要包括：

图5 采动影响下回采巷道围岩受力力学模型

1)巷道围岩侧向支承压力，巷道掘进开挖使地下煤岩体发生径向卸荷破坏，临空面围岩产生侧向支承压力，致使一部分围岩承受较大应力，一部分围岩处于应力降低区，巷道围岩形成初始破坏状态。

2)相邻采空区覆岩运移扰动应力，相邻工作面回采后在巷道煤柱侧形成大范围的采空区，处于松散状态，且上覆部分悬空岩层的重量要转移到本工作面的煤体和边界煤柱上，使采空区横向分布着高于原岩应力的垂直压力，导致边界煤柱内出现应力集中区；另外，相邻采空区覆岩顶板发生回转使回采巷道顶板岩层产生挤压和拉破坏，当相邻采空区顶板岩层变形量较大发生滑移，对巷道顶板岩层产生附加的剪切作用力，对于坚硬顶板厚煤层而言，采空区覆岩垮落无法充填采空区而发生垮落、破断，产生强动态载荷作用通过巷道底板围岩传向回采巷道，造成回采巷道发生动压显现。

3)本工作面回采超前采动应力，随着本工作面逐步回采，工作面前方的围岩应力为寻求新的平衡状态而发生重新分布，进而在工作面前方形成应力增高区，即超前采动应力；由于相对于巷道断面尺寸而言工作面所形成的空间尺寸较小，则在煤岩体环境一定时，工作面回采采动应力将影响回采巷道侧向应力分布，虽然相对其它扰动应力而言，其量值较小，但是采动应力随着工作面回采一直处于动态变化过程；并且，当采动应力受到其它开采扰动影响后，其动态变化会出现急剧波动，甚至增大数倍；如42107综采工作面过上覆22煤层遗留煤柱期间，在煤柱叠加高应力作用下，42107工作面矿压显现剧烈，以及辅运巷锚索监测数据出现明显波动。

4)上覆远场关键层破断，对于厚煤层综放工作面而言，远场关键层发生“横O-X”破断，破断断裂线延伸方向平行于工作面临空巷道轴线方向，在上覆载荷作用下，块体发生回转运动，但回转运动方向垂直于工作面临空巷道轴线方向，因而对临空巷道围岩产生沿巷道断面径向的挤压作用，是造成辅运巷超前底鼓的主要原因；对42107辅运巷分析可知：随着42煤层工作面的逐步回采，虽然42煤层下位关键层周期破断后形成砌体梁结构，破碎岩石的充填使得上位关键层获得的回转空间较小，对上部22煤层采空区岩层起到临时支撑作用，但该结构并未达到最终稳定状态，受到采动影响导致远场关键层破断，所产生的强扰动导致巷道破坏。

5)其他地质因素的影响，如上覆松散岩层、遗留集中煤柱等等；如42107综放工作面上覆松散岩层厚2.5～25.9m，其成岩程度低、沙粒间胶结程度差、结构强度低，遇水如泥、遇风成砂，因此，采动使其破坏，则松散岩层作为载荷作用于老顶上。

2.3 采动影响下巷道围岩破坏机制

巷道围岩变形失稳的实质是在围岩应力作用下围岩产生了一定范围的塑性破坏区，且塑性区的大小和形态决定巷道围岩破坏程度，揭示围岩失稳机理须掌握巷道围岩的塑性区特征；而回采巷道由于受到采动引起的加卸载效应影响，处于非等压环境；则围岩产生不规则形态的塑性区，塑性区的宽度，即支承压力峰值与煤壁边缘之间的距离La为：

式中，m为煤层开采厚度，m；C为煤体粘聚力，MPa；φ为煤体内摩擦角，(°)；λ为煤柱塑性区与弹性区界面处的侧压系数；Pz为对煤帮的支护阻力，MPa；γ为岩层平均容重，kg/m3；H为巷道埋深，m；k为应力集中系数。

Lb根据锚杆的有效支护长度取值，再增加15%的富裕系数。

Lc为考虑煤层厚度较大而留设增加的煤柱内弹性区范围，按式(2)计算：

Lc=(La+Lb)(30%～50%)

(2)

则煤柱内等效稳定承载范围计算为：

L=Lb+Lc=B-La

(3)

式中，B为综放开采煤柱宽度，m。

由式(1)—式(3)分析可知，埋深H越大，巷道围岩塑性区破坏范围增加；受上覆遗留煤柱影响导致辅运巷煤柱塑性区与弹性区界面处的侧压系数λ增大，导致围岩破坏变形加剧；采取卸压措施降低应力集中系数k，以及施工补强支护增大对煤帮的支护阻力Pz，可有效控制围岩破坏范围；降低巷道围岩塑性破坏范围，可以增强煤柱承载能力。另外，辅运巷两帮侧支承压力峰值距煤壁边缘位置不同，则围岩塑性破坏范围呈非对称状态分布，与现场围岩钻孔窥视结果一致。由钻孔窥视结果可知，42107辅运巷正帮煤体松动圈为0.8～1.0m，其中0.5m内较破碎；而副帮松动圈大于1.5m，现场塌孔严重，裂隙分布深度分别为1.5m、1.1m、0.9m。此外，由钻孔窥视最大破坏深度可知，巷道围岩塑性破坏形态呈现出非对称性分布特征。

3 控制技术研究

3.1 顶板卸压技术

42107辅运巷矿压显现剧烈，采动影响回采巷道围岩稳定，因此，采取水压致裂措施对采空区坚硬难冒顶板进行人为施工处理，弱化或割裂采空区覆岩垮落、破断对回采巷道变形破坏的影响。因为42107辅运巷使用超前支架支护，超前支护距离大于50m，为保证定向水力压裂卸压施工不影响42107综放工作面正常生产，完工区段应超前工作面煤壁至少100m。依据定向水力压裂卸压原理，并结合上述42107辅运巷矿压显现研究结果、钻孔窥视和围岩强度等参数，来设计水力压裂卸压方案钻孔参数如图6所示。

图6 42107辅运巷水力压裂设计(m)

3.2 注浆加固措施

采动影响作用下造成42107辅运巷围岩处于频繁加卸载状态，导致其承载能力差，锚固性能降低，继而造成支护体系难以发挥作用，帮鼔、底鼓严重。巷道底鼓造成底板不平，超前支架工作状态差，支架顶梁与顶板不能完全接合，初撑力不足，主动支护效果差，影响安全生产，采取挖底施工措施后，巷道帮部围岩又变形严重，影响超前支架并排安装、推移，无法保证正常超前支护效果。

针对42107辅运巷变形破坏特征对巷道帮部施工注高分子材料，在42107辅运巷4543～4468m(距离切眼810～885m)正、副帮注高分子材料，钻孔设计：距底板1.5m处以20°仰角施工注浆孔，孔间距5m，孔径42mm，孔深4.6m，垂深1.573m，共计施工75m；施工32个孔，正、副帮各16个孔，具体施工方案如图7所示。

图7 42107辅运巷注高分子材料施工

对巷道帮部围岩注高分子材料，主要机理为：当树脂和催化剂安装配比掺在一起时发生化学反应产生膨胀，本身反应或发泡生成多元网状密弹性体的特征，当它被高压推挤，注入到煤岩层或混凝土裂缝(在高压作用下可以使煤岩层的闭合裂隙张开)，可沿煤岩层裂缝延展直到将所有裂隙(包括肉眼难以觉察的裂隙及在高压作用下重新张开的裂隙)充填。加固围岩裂隙和不稳定地层，进而密实煤帮围岩，加固采动影响巷道帮部。同时又能充填支撑帮部松动塌落的煤体，限制塑性变形区和破裂区的发展，保证巷道的围压，使得围岩易于恢复三向受力状态。

4 现场应用效果监测

根据设计方案对42107辅运巷施工水力压裂及注浆加固措施，并对巷道表面位移及来压步距进行监测，以便掌握巷道支护工况及矿压显现情况。

4.1 表面位移监测

42107辅运巷表面位移曲线如图8所示，由图8可知，对42107辅运巷正、副帮注高分子材料施工加固后，巷道围岩收敛变形明显减小，趋于稳定后巷道高度减小0.6m，宽度减小0.9m，巷道变形量均在合理范围内，支护效果良好，巷道断面符合要求。

图8 表面位移曲线

4.2 来压步距监测

42107工作面水力压裂前后来压步距对比如图9所示，由图9可知，对42107工作面回采进入水力压裂区域前后8次矿压显现进行对比分析，未压裂区域平均来压步距28m，水力压裂卸压区域内平均来压步距17m，来压步距明显减小。

图9 水力压裂前后来压步距对比

5 结 论

1)布尔台煤矿42107辅运巷顶板2m内岩层整体下沉，1.8m至3m出现约10mm离层；埋深460m区域及上覆遗留煤柱下方辅运巷深部围岩位移变化量分别为正常区的1.3倍、2.5倍；且埋深460m区域顶板锚索受力虽然波动较小，但整体受力较大，为正常锚索受力的1.4倍；在上覆遗留煤柱下方，顶板锚索受力动态波动显著，为正常锚索受力的1.6倍。

2)分析矿压显现规律及工程实际情况，结合矿压理论构建了采动影响下巷道围岩受力力学模型，并总结研究了采动影响下回采巷道围岩应力影响因素及作用机制。

3)通过理论计算分析了采动影响下回采巷道围岩塑性破坏区大小及煤柱内等效稳定承载范围，揭示了采动影响下回采巷道围岩塑性破坏呈非对称状态分布，并与现场围岩钻孔窥视结果一致。

4)根据巷道围岩受采动影响的特点，采取水力压裂及注高分子材料来改善或控制采动巷道围岩应力分布状态，现场应用工业性试验表明：对42107辅运巷正、副帮注高分子材料施工加固后，巷道围岩收敛变形明显减小，来压步距明显减小，巷道变形量均在合理范围内，巷道断面可满足安全生产要求。