矿井沿空巷道防冲卸压与围岩控制综合实施研究与应用

高玉生 韩传磊 刘尊刚

（汶上义桥煤矿有限责任公司，山东 济宁 272000）

1 3305 工作面概况

义桥煤矿生产条件复杂，主要表现在采深大，断层多，顶板厚硬岩层多。3305 工作面是该矿井三采区第二个综放工作面，其北侧为3303 采空区，设计形状为一刀把形，是一个较典型的不规则工作面，工作面北侧沿3303采空区，留设区段煤柱为5 m，也是一侧沿采空区回采的工作面，其南侧为SF21正断层（落差0～60 m，倾角60°），东侧为三采区胶带下山，西侧为YF7 断层（落差＞500 m，倾角＜60°）。工作面整体埋深为430～720 m，工作面开采范围呈“刀把”形，轨道顺槽长1432 m，胶带顺槽长1240 m，胶带顺槽外段长734 m，切眼长155 m，回采后期工作面加宽至240 m（地面为农田，无其他较大构筑物），具体布置如图1。

3305 工作面开采山西组3 煤层，煤层厚度为3.5～5.2 m，平均厚度4.1 m，平均倾角13°，普氏硬度1.48，地层构造基本为单一斜构造，受断层影响，煤层倾角局部变化较大。煤层顶底板岩层情况见表1。

经煤岩层冲击倾向性鉴定试验[1-5]，3 煤层动态破坏时间平均值为161 ms，冲击能量指数平均值为1.38，弹性能量指数平均值为2.28，单轴抗压强度平均值为14.47 MPa，综合判定3 煤层具有弱冲击倾向性。3 煤顶板岩层弯曲能量指数为272.23 kJ，判定顶板岩层具有强冲击倾向性。

图1 3305 工作面井下位置关系图

表1 煤层顶底板岩层情况表

由图1 可知，3305 工作面轨道顺槽沿空掘进，区段煤柱宽度为5 m。轨道顺槽断面为矩形，净宽4400 mm，净高3300 mm，采用锚网索梁+W 钢带梁支护。锚杆规格为Ф20×2400 mm，间排距为800 mm×800 mm；金属网采用1000 mm×2000 mm的轧花平网；锚索规格为Ф18 mm×5000 mm，间排距1600 mm×1600 mm，每排3 根；W 钢带规格为4200 mm×280 mm。

2 大直径钻孔卸压对围岩稳定性的影响

2.1 大直径钻孔卸压机理

假设圆形钻孔直径为r0，假设钻孔处于静水应力状态，建立大直径钻孔力学模型，大直径钻孔受均布压应力作用，根据弹性力学理论，可简化为平面应变问题。在围岩高应力作用下，钻孔周围煤体将发生塑性破坏。根据弹塑性力学理论，得出钻孔周围应力分布和塑性区半径可表示为：

式中：σθp和σrp分别为塑性区内切向应力和径向应力；r为塑性区内一点距钻孔中心点的距离；rp为塑性区半径。

将钻孔周围塑性区边界上的径向应力等效为对弹性区作用的外力，则可以得出钻孔周围塑性区之外弹性区内的应力分布为：

式中：σθe和σre为弹性区内切向应力和径向应力。

在巷道围岩中实施大直径钻孔后，在围岩高应力作用下每个钻孔周围一定范围内煤体将产生劈裂破坏并形成塑性区，钻孔周围破碎带和塑性区的产生使得围岩中的高应力向更深处转移。当相邻的多个大直径钻孔塑性区叠加后，则在巷道围岩内形成具有一定宽度的破裂带，钻孔卸压破裂带形成的过程中将耗散掉大部分围岩中积聚的弹性应变能，从而降低冲击危险。此外，当发生冲击时，大直径钻孔的空间能够吸收冲出的煤粉，防止煤体冲出。

2.2 大直径钻孔卸压对围岩变形的影响

受3303 工作面采空区侧向支承集中应力的影响，3305 轨道顺槽采掘期间冲击危险性较高。为预防轨道顺槽采掘期间发生冲击地压灾害，在轨道顺槽掘进过程中对其实体煤帮进行了大直径钻孔预卸压处理。根据义桥煤矿三采区地质情况和矿井钻孔施工经验，大直径钻孔参数：重点防冲区域按照间距2.0 m 施工大直径钻孔，钻孔深度为20 m，孔径150 mm，单排布置，钻孔距巷道底板1.2～1.5 m。

3305 工作面轨道顺槽实体煤帮实施钻孔卸压预处理后，煤体中形成弱化带，使应力峰值减小，峰值位置向围岩深部转移，改善了巷道围岩应力环境，使潜在的冲击危险得以消除。而卸压钻孔的开挖增加了钻孔邻近区域支护结构的轴向拉力，同时高密度的大直径钻孔实施破坏了锚固范围内围岩的强度和整体性，给本就容易发生大变形破坏的沿空巷道维护带来极大困难。

为对比大直径钻孔卸压对围岩变形控制的影响，对实施大直径钻孔后3305 工作面轨道顺槽围岩变形规律进行了监测，如图2。

图2 巷道表面变形规律监测

由图2 可知，对比未进行常规大直径防冲钻孔卸压巷道围岩变形监测数据，实施大直径钻孔卸压区域的巷道两帮移近量最大为337 mm，未卸压巷道围岩两帮最大移近量仅190 mm。得出：大直径钻孔卸压区域两帮破坏程度较大，防冲卸压钻孔对巷道围岩控制产生不利影响。

3 防冲卸压与围岩变形协同控制技术

3.1 防冲卸压与围岩变形协同控制原理

针对沿空巷道冲击地压防治过程中出现的钻孔卸压与围岩控制相矛盾的问题，认为在巷道围岩进行钻孔卸压的同时又不破坏或少破坏巷道围岩浅部锚固区的整体强度，是防冲卸压与巷道围岩控制协同治理的关键。

在大直径钻孔实施后，采用有效的方式提高或恢复巷道围岩浅部锚固区内煤体的强度，弱化锚固区内钻孔塑性区的扩展，减小钻孔卸压对巷道围岩承载结构的破坏，确保钻孔卸压在对巷道围岩稳定性影响尽量小的同时，达到应力转移的目标，以实现冲击地压灾害与巷道围岩控制协同治理。

3.2 防冲卸压与围岩变形协同控制关键技术

考虑到大直径钻孔对巷道围岩浅部锚固区的破坏效应，提出在大直径卸压钻孔实施后，采用预制混凝土柱对巷道围岩浅部锚固区内的大直径钻孔进行局部非密实充填处理。

巷道围岩锚固层内钻孔进行局部非密实充填处理后，在不影响大直径钻孔卸压效果的同时，降低了锚固层内钻孔塑性区的扩展范围，且预制混凝土柱与钻孔壁之间的未充填空隙还为巷道围岩变形提供了一定补偿空间，吸收一部分变形，从而减小巷道变形量。当巷道围岩锚固层范围内钻孔变形后，孔壁与预制混凝土柱产生挤压力，提高了巷道围岩锚固层范围内煤体的整体强度和承载力，有利于巷道围岩变形控制。

4 现场试验

在3305 工作面轨道顺槽进行了现场试验，在试验段巷道生产帮施工大直径卸压钻孔，具体参数为：间距2.0 m，钻孔深度为20 m，孔径150 mm。大直径卸压钻孔实施完毕后，将预制好的混凝土柱充填至巷道围岩锚固层的钻孔内。混凝土柱截面为圆形，直径140 mm，每节混凝土柱的长度为1 m，每个钻孔充填3 节混凝土柱，即大直径钻孔局部充填深度为3 m。在试验段巷道表面设置测站，对巷道表面位移进行监测，监测结果如图3。

图3 巷道表面位移监测

由图3 可知，对巷道围岩锚固层内大直径卸压钻孔进行局部充填后，钻孔卸压效果未出现明显的变化，而巷道顶底板移近量以及两帮移近量出现明显的下降趋势，其中两帮移近量最大值较未充填区平均减小106%，顶底板移近量最大值较未充填区平均减小35%，两帮移近量变化较为明显。结果表明：采用预制混凝土柱对锚固区内大直径钻孔进行局部非密实充填处理对巷道支护和变形的控制效果较为理想。

5 结论

（1）建立煤层大直径卸压钻孔力学模型，推导了钻孔周围应力分布和塑性区半径的表达式，探究了煤层大直径钻孔卸压机理。

（2）以3305 工作面沿空轨道顺槽为背景，研究得出大直径钻孔可以有效地改善巷道围岩应力环境，消除巷道潜在的冲击危险，然而大直径钻孔实施同样破坏了锚固范围内围岩的强度和整体性，加剧了卸压区域巷道围岩变形破坏程度，对巷道围岩控制产生不利影响。

（3）基于防冲卸压与围岩变形协同控制原理，提出了采用预制混凝土柱对巷道围岩浅部锚固区内大直径钻孔进行局部非密实充填技术，并进行了现场应用。现场试验结果表明：钻孔局部充填后，较未充填区域，两帮移近量最大值平均减小106%，顶底板移近量最大值平均减小35%，显著改善了巷道围岩的稳定性，实现了防冲卸压与围岩变形协同控制。