动压影响下大断面岩巷围岩控制技术研究

贾俊峰，段振雄

(华阳新材料科技集团有限公司 一矿，山西 阳泉 045000)

1 工程概况

华阳一矿十三采区地面相对位置位于碾子咀以东，白龙庙以南，磨石岩以西，营房沟以北。地面有白龙庙沟河，狼窝沟河，皇墓沟河穿过。地表有3条电力线穿过工作面，分别为220海盂线、35二回北红线、民用村庄电力线，地面无建筑物。盖山厚度569～580 m，平均575 m.十三采区轨道大巷位于十三采区边界线以北，81302工作面(已采)以南，巷道北侧81306工作面已掘，巷道位置详情如图1所示。十三采区设计开采煤层为太原组15号煤层，根据本采区周边相邻B3904、B3905、B4003及6620号钻孔实际探测资料及已回采的81302工作面实际揭露煤层厚度及产状统计分析：煤层厚度介于7.27～6.33 m，平均6.96 m.

图1 十三采区轨道大巷平面布置

2 十三采区轨道大巷破坏现状

华阳一矿太原组15号煤层十三采区目前已经开采了81302工作面，十三采区三条大巷均布置在采区南侧，胶带大巷、回风大巷沿15号煤层底板施工，十三采区轨道大巷布置在15号煤层底板泥岩中，距15号煤层底部3.5～5.2 m，采用直墙半圆拱形断面，掘巷净宽为4.8 m、净高为3.8 m，采用锚网喷支护，支护要求：顶、帮锚杆统一使用150 mm×150 mm×10 mm高强度拱形托盘，锚杆使用2支树脂药卷，1支CK2335，1支K2360,D22-2 400 mm锚杆预紧扭矩不低于400 N·m，预紧力不低于95 kN，间排距1.0 m×1.1 m.顶板长锚索规格D21.8-8 300 mm，帮锚索规格D21.8-6 300 mm，锚索使用3支树脂药卷,1支CK2335，2支K2360，锚索要求预应力不低于350 kN，锚固力不低于520 kN，间排距2.0 m×4.5 m.金属网支护要求：采用网格100 mm×100 mmD6钢筋网+双层网格50 mm×50 mm8号金属菱形网，金属菱形网沿巷道方向平行铺网方式，横向搭接长度不小于200 mm，纵向采用铅丝网拆除的铅丝穿网。巷道顶板及两帮喷混凝土厚度100 mm，强度C30.

十三采区轨道大巷于2021年投入使用，在经受81302综采工作面采动影响后，巷道围岩稳定性遭到破坏，巷道围岩变形存在以下特征：①巷道断面收缩严重，巷道顶板及两帮表面开裂严重，两帮移近量最大达到600～800 mm，底板底鼓变形严重，局部底鼓达到1 300 mm，历经多次变形、整修的过程；②巷道破坏形式多种多样，锚杆、锚索失效较多，围岩应力条件复杂；③巷道变形受工作面采动影响明显，变形速度快、持续时间长，随着工作面回采的进行，巷道表面变形速度快速增大，见图2.十三采区轨道大巷的变形破坏已严重影响矿井的安全高效生产。

图2 十三采区轨道大巷支护及变形现状(mm)

3 十三采区轨道大巷返修方案设计

根据华阳一矿十三采区轨道大巷现场调研情况，现有支护无法有效控制其围岩失稳破坏，需要更为合理有效的返修加固方案，在十三采区轨道大巷原有支护方案的基础上，根据其围岩变形特征及原有支护缺陷提出优化支护方案，各支护方案的具体参数见表1.

表1 优化支护方案参数

为确定最为合理的返修加固方案，结合华阳一矿81306工作面开采的实际情形，采用FLAC3D软件进行建模分析[1-2]，为方便建模及计算，将煤层简化为水平分布，根据实验室强度测试结果对各煤岩层进行赋值，模型共由13层煤岩体组成，总高度为145 m，模型沿工作面推进方向尺寸为500 m，三维数值模型如图3(a)所示，模型顶面施加载荷15 MPa.81306工作面布置在模型右侧，从右向左推进，十三采区三条大巷布置在模型左侧，护巷煤柱宽度25 m，十三采区轨道大巷布置在煤层下方泥岩岩层中，距模型左侧边界70 m.

图3 数值模型及模拟分析结果

模拟计算时，首先进行十三采区三条大巷的开挖及支护，十三采区回风大巷和运输大巷采用掘巷期间原支护方案，之后进行81306工作面的开挖，每次开挖进尺为5 m，停采位置与十三采区轨道大巷水平距离为60 m，在工作面回采完成后，观测十三采区轨道大巷表面的变形量，整理得到不同支护方案条件下，数值模拟结果如图3(b)所示。由图3(b)可得，随着支护方案由方案1至方案4，巷道表面支护密度逐渐增大，支护强度逐渐提高，在采动影响后，巷道表面变形量呈逐渐减小趋势，其中，方案1至方案3，巷道表面最大变形量减小幅度较大，而方案4与方案3相比，巷道表面最大变形量相差很小，表明支护方案4对于围岩稳定性的提升很小，综合考虑围岩支护效果及经济成本，确定十三采区轨道大巷采用方案3的相关支护参数。

以华阳一矿十三采区轨道大巷原有支护方案为基础，结合数值模拟研究结果，设计十三采区轨道大巷返修加固方案如图4所示，顶板锚索规格D21.8-8 300 mm，间排距1.0 m×1.6 m，锚杆规格D22-2 400 mm，间排距0.8 m×1.6 m，帮锚索规格D21.8-6 300 mm，间排距同顶板锚索，底板施工反底拱，半径3.7 m，中部最大开挖深度0.8 m，每排施工3根长锚索，锚索规格D21.8-6 300 mm，间排距1.2 m×1.6 m，反底拱内采用废渣充填压实。

图4 十三采区轨道大巷返修加固方案(mm)

4 81306工作面水力压裂切顶卸压方案设计

根据华阳一矿十三采区轨道大巷变形特征，在81302工作面回采结束后，巷道表面变形量迅速增大，分析可知，工作面回采后上方存在未垮落完全的坚硬岩层，形成悬臂结构导致十三采区轨道大巷围岩处于高应力环境中，导致其围岩持续塑性破坏，最终出现严重的变形破坏。参照国内类似地质条件下相关研究成果[3-4]，应使用切顶技术切断采空区上方的悬臂结构，优化十三采区轨道大巷应力分布。

本次切顶设计采用水力压裂技术，钻孔采用直径56 mm的钻头，配套使用直径44 mm钻杆，共设计两种类型的压裂钻孔，施工位置为81306工作面回采至停采线，A类钻孔长度29.6 m，垂直高度25.5 m，仰角51°，B类钻孔长度28.8 m，垂直高度21.5 m，仰角45°，每个钻孔均分布进行4次压裂，共布置8个压裂钻孔，每4个分为一组，压裂时最大注水压力70 MPa，压裂钻孔布置详情如图5所示。

图5 81306工作面顶板压裂方案示意(m)

5 围岩控制效果考察

为了定量分析采取水力压裂切顶工艺后对于十三采区轨道大巷表面变形量的影响，并考察返修支护方案的合理性，在81306工作面末采期间及停采后，在对应的十三采区轨道大巷内，每间隔100 m布置一个矿压监测点，采用激光传感器定期记录巷道围岩变形情况，由监测结果可知，在工作面采动影响下，巷道围岩变形量随着时间的推移不断的累积，经过一段时间的持续变形后围岩趋于稳定，巷道两帮累积移近量最大为115～125 mm，顶底板累积移近量最大为90～110 mm，巷道变形量相对于原有支护条件下显著减小，整体变形量得到有效控制，通过对十三采区轨道大巷返修补强支护并在工作面采取水力压裂切顶措施后，巷道围岩自身承载能力显著提升，围岩控制效果良好。

6 结 语

华阳一矿十三采区轨道大巷投入使用后，在侧翼综采工作面采动影响下，巷道多处出现严重的变形破坏现象，影响矿井的正常生产，结合巷道原有支护方案设计其返修加固方案，通过数值模拟优选最佳方案，设计水力压裂切顶卸压方案，81306工作面回采完成后进行切顶方案的应用，在对应巷段设置矿压监测站，巷道两帮累积移近量最大为115～125 mm，顶底板累积移近量最大为90～110 mm，整体变形量得到有效控制，所设计的补强支护及切顶卸压方案合理有效，保障了矿井的安全高效生产。