潞宁煤业孤岛面大断面巷道控制技术研究

高 磊

（潞安化工集团潞宁煤业有限责任公司，山西 忻州 036000）

1 工程概况

潞宁煤业22116 工作面开采2 号煤层，工作面布置在二二采区，平均埋深为500 m，位于22114 和22118 工作面中间，属于孤岛工作面，东南为二二采区轨道下山、皮带下山、回风下山巷道。工作面煤层开采平均厚度3.5 m，平均倾角4.5°，结构简单，硬度系数为3.5。工作面采用一次采全高采煤方式，循环进尺为0.8 m，工作面顶底板情况见表1。

表1 22116 工作面顶底板情况

22116 工作面运输巷断面为矩形，设计尺寸为5.0 m×3.6 m，巷道与相邻工作面采空区留有10 m 煤柱，根据以往经验，在本工作面开采期间由于直接顶厚度较大、煤层埋藏较深、巷道断面较大的原因，22116 工作面运输巷在服务期间明显出现失稳变形的现象，给工作面正常安全开采带来了隐患；因此，针对孤岛工作面坚硬厚顶板条件下回采巷道的稳定性分析与控制是22116 工作面安全生产的前提。

2 22116 工作面运输巷破坏控制思路

22116 工作面上方是厚且坚硬的砂岩顶板，正常回采工作后，厚层坚硬顶板并不能顺利下来，或者仅发生下沉趋势不能完全断裂，如图1（a）所示。不能充分垮落的顶板会在采场及煤柱上方形成稳定的悬臂结构，造成巷道和采场支架的应力状态十分恶劣，严重时会造成巷道急剧收缩以及压架等事故，给工作面正常生产带来不利影响。

工作面运输巷要想保持正常的服务年限，关键在于控制巷道所受压力以及增加巷道的支护强度。在控制巷道压力方面，重点是要保证厚层坚硬顶板能够充分垮落，将上方积聚载荷向采空区转移，降低巷道周围煤体的应力集中程度，采取切顶卸压技术将上方坚硬顶板切落，如图1（b）所示，配合以全锚网支护技术，是能够将工作面运输巷围岩稳定性充分提高的。

图1 22116 工作面运输巷

3 22116 工作面运输巷稳定性控制措施

3.1 水力压裂切顶卸压技术

水力压裂技术能够有效切割坚硬顶板，同时又能避免炸药爆破对巷道和工作面带来的二次灾害；因此在22116 运输巷未回采的部分进行切顶卸压措施，能够有效降低顶板应力向巷道转移，实现对巷道承载卸压的效果。

水压致裂钻孔布置范围先选定为300 m，压裂钻孔布置在22116 工作面运输巷顶板，如图2 所示，钻孔间距为10 m，与水平方向夹角设计为50°，与工作面推进方向成75°，钻孔整体孔深为30 m，直径设计为75 mm，为了使得压裂效果能够充分释放，设计从钻孔底部依次向外进行开槽，初始槽距孔底2 m，继续往外槽间距为3 m，共布置7 个压裂槽。压裂槽布置时，采用KZ54 型钻头，同时用窥视仪观测顶板钻孔，结合强度触探法确定具体位置。

图2 水压致裂钻孔布置

钻孔成孔后，及时安装封口器和水压仪，之后采用静水压进行钻孔的排气和试压，此时的静水压力为10 MPa。试验合格后，连接注水钢管将封孔器推送至预裂槽位置，进行高压注水，注水压力为60 MPa，流量为80 L/min，注水方式为倒退式压裂法，先从最底部压裂槽开始进行，施工过程中在施工点前后20 m的范围内进行警戒安排。

3.2 22116 工作面运输巷支护技术方案

工作面运输巷为提高围岩整体承压强度，设计采用全锚网支护技术，支护断面如图3 所示。顶板锚杆采用φ22 mm×2 400 mm 的螺纹钢锚杆，螺纹型号M24、钢号335 号，顶部锚杆间排距设计为900 mm×1 000 mm，最外侧2 根锚杆距两帮距离均为250 mm，锚杆之间用钢筋托梁连接，钢筋直径为14 mm、宽度为80 mm、长度为4 700 mm，锚杆托盘尺寸120 mm×120 mm×10 mm，形状为拱形高强度托盘，配合球形垫和减阻尼龙垫圈使用。顶板锚索采用型号为φ22 mm×6 300 mm 的高强度低松弛预应力钢绞线，每排打设1 根锚杆，相邻2 排呈相错式布置，相同布置排距为2 000 mm，每排锚杆距上帮或下帮的距离均为1 800 mm、相错的2 根锚杆间距1 600 mm，锚索托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm，材质为高强度钢制可调心托盘，锚索延展率为4%。顶板金属网采用5 500 mm×1 200 mm 规格的菱形网，网孔尺寸为50mm×50mm，彼此搭接宽度不小于100 mm。

帮部只采用锚杆支护，锚杆型号为φ16 mm×2 000 mm 的麻花钢锚杆，螺纹型号M18，杆体间排距设计为1 200 mm×1 000 mm，同一排上下2 根锚杆距离顶底板均为600 mm。巷道上帮采用塑料网支护，网规格为2 800 mm×1 200 mm，网孔为菱形，尺寸为40 mm×40 mm，下帮采用金属网支护，网规格2 800 mm×1 200 mm，网孔也为菱形，尺寸为50 mm×50 mm。锚杆预紧扭矩大于300 N·m，锚索初次张拉力不小于260 kN，预应力损失后不低200 kN。

图3 全锚网支护断面设计

3.3 工程实践应用效果分析

为进一步考察22116 工作面巷道水力压裂切顶卸压和围岩全锚网支护的效果，在22116 运输巷内布置多个测站进行工作面煤体应力监测、巷道表面位移监测和锚杆索受力监测。测站布置在巷道进尺300 m处，每隔20m 布置1 个，共布置5 个测站，监测周期为120 d，每个测站内安设KX-18 型空心包体应力计监测煤体内应力变化，钻孔深度设计为4、6、8、10、12、14、16 m，采用十字布点法监测巷道顶底板和两帮位移变化，采用MC-500A/B 型锚杆索测力计监测锚杆索受力。选取其中监测数据较典型测站的监测数据如图4 所示。

图4 巷道控制效果监测曲线

根据锚杆索和煤体应力监测可知，顶板锚杆索受力与帮部受力情况差异性较大，顶板位置受力相对较缓和，说明切顶卸压效果对顶板作用明显，在工作面推进至监测位置时锚杆索受力出现较大波动属于正常现象，之后受力情况保持相对稳定。而煤体内的钻孔应力监测也表明，监测位置越深入煤体内部，压力值越小，煤体整体在工况下的上方载荷影响变弱，整体保持稳定性时间较长。结合矿井其它工作面巷道表面位移变化值可知，未进行切顶卸压前巷道两帮变形达245 mm、顶底板移近达390 mm，采取措施后两帮移近保持在120 mm、顶底板变化保持在190 mm，减小幅度分别达51%、52%，整体降低幅度明显。通过上述锚杆索受力、煤体应力和围岩变形可知，22116 工作面运输巷采取水力压裂切顶卸压及全锚网支护后，巷道控制效果能够满足工作面长期服务要求。

4 结 论

22116 孤岛工作面运输巷面临地应力高、采动应力强烈、断面大、顶板厚且坚硬的影响，巷道变形量大、维护困难，设计采用水力压裂切顶卸压进行厚硬顶板应力释放，同时配合巷道围岩全锚网支护措施进行支护控制。工程应用实践后，煤体内深部浅部应力表现均比较稳定，顶板锚杆索受力变化不大，未出现断裂失效现象，巷道围岩表面位移也较之前变形量更小，整体完整性得到很好保持，能够满足22116 孤岛工作面安全高效生产要求。