动压影响巷道切顶卸压护巷技术研究

范李岩

（山西煤炭运销集团南河煤业有限公司，山西 高平 048400）

巷道受一次或者多次采动压力影响后围岩应力集中，呈现变形量大、支护困难等特点[1]。特别是随着煤层赋存深度增加，巷道所在区域地质构造更为复杂、受地应力影响更为显著，动压影响巷道围岩支护更为困难[2～3]。为此，众多的学者及工程技术人员对动压影响巷道围岩支护技术展开研究，其中康红普等[4]认为预应力在巷道围岩支护中起重要作用，高预紧力、强支护可发挥锚网索主动支护作用，并以章村矿动压影响巷道为工程实例，对全断面高预紧力强烈锚索支护效果进行分析；许兴量等[5]针对曹村矿+500m水平大巷动压影响下围岩变形严重问题，综合使用理论分析、数值模拟、现场实测技术手段对动压影响巷道围岩变形机理进行分析，并针对性提出围岩控制技术；陈晓祥等[6]针对综放开采动压影响巷道变形大问题进行分析，发现动压影响巷道巷帮塑性区剪切滑移变形是围岩变形量的主要原因，控制巷帮变形应对针对破碎区、塑性区滑移面进行加固，提出采用注浆方式加固围岩并强化顶底板、巷帮支护强度。15111工作面回采巷道为研究对象，对动压影响巷道围岩变形特征进行分析，并确定导致巷道变形破坏的主控因素，最后提成采用切顶卸压方式降低巷道围岩应力集中程度、恒阻大变形锚索强化围岩支护，实现了动压影响巷道围岩变形有效控制。

1 工程概况

15111 工作面设计推进长度800m、倾向长120m，采面整体为单斜构造，两顺槽西高东低，落差约29～50m，工作面回采的15#煤层倾角6°～21°、平均15°，厚约2.4～4.5m，平均厚度3.15m，煤层顶底板岩性以泥岩、灰岩、砂质泥岩等为主，具体顶底板岩性如表1所示。根据回采巷道掘进揭露以及已有物探资料显示，采面626～632m段回风顺槽揭露顶板空洞区域，宽约0.8m，高约0.5m，方向为西南往东北方向延伸（N45°E）顶板局部有黄泥覆盖，顶板破碎不完整。15111采煤工作面装备ZZ8000/22/44型液压支架、SGZ-764/400型刮板输送机和MG300/730-WD 型采煤机，工作面采煤实行一次采全高开采方式。15111 工作面采用“两进一回”通风方式，留设的保护煤柱宽度为20m，待15103工作面回采完毕后15103 辅运顺槽作为15111 回风顺槽使用，具体采面位置如图1所示。15111回风顺槽在采动压力影响下围岩变形量较大，为此提出采用切顶卸压方式降低动压对巷道围岩变形影响同时使用恒阻锚索补强支护，以便实现动压影响巷道围岩变形有效控制。

图1 巷道位置示意图

表1 15#煤层顶底板岩性参数

2 动压影响巷道围岩变形特征分析

动压影响巷道围岩变形特征与巷道所处地质条件、围岩力学环境等密切相关，15111 回风顺槽埋深均值为300m，地应力整体较小。在动压影响下15111回风顺槽原有的锚索出现失效，已无法满足巷道控制需要，因此需要对巷道变形破坏的主控因素进行分析，并针对性提出围岩控制技术方法。

2.1 巷道围岩变形特征

具体现场获取的15111 回风顺槽围岩变形现场情况如图2所示。从现场变形情况可以看出，回风顺槽顶板破坏较为严重，图2（a）、图2（b）中可清晰地看到顶板出现不同程度下沉，巷道顶板变形破坏范围超过1.5m甚至局部超过2.0m；顶板离层现象较为明显，锚固区内以及锚固区外岩体均出现一定程度的离层情况；顶板岩层破碎，局部顶板位置金属网出现网兜，顶板下沉量达到500～1000mm；部分支护用悬吊在半空中，已失去围岩控制作用。巷道底板出现一定程度底鼓，如图3（c）所示，局部位置底鼓量大是动压影响巷道变形特征之一，同时也是巷道围岩控制难点，在底鼓影响下局部支柱出现倾斜，影响巷道正常使用。

图2 巷道围岩变形现场情况

2.2 围岩变形主控因素分析

工程地质条件、施工条件以及围岩赋存环境等因素共同决定了巷道围岩变形与破坏，依据15111回风顺槽现场条件及围岩变形特征等，将影响巷道变形破坏的因素归结为以下2 个方面：①地质因素，15111 回风顺槽浅部围岩以泥岩、炭质泥岩等为主，存在有承载能力差、强度低等点，同时煤层基本顶（K2 灰岩）具有裂隙发育、充填有砂质泥岩，巷道围岩遇水后会进一步降低其强度；现场观测发现巷道围岩中裂隙发育，整体性及完整性较差。②开采因素，采动压力影响下巷道原有应力平衡状态遭受破坏，导致围岩中塑性区进一步扩展，原支护体系锚固端不再处于塑性区之外，导致围岩变形量进一步增加；顶板浅部岩体受较大的拉应力影响，局部出现破断垮落情况。

3 切顶卸压技术应用

依据15111 回风顺槽围岩变形特点及围岩变形主控因素分析结果并针对巷道原有锚索支护强度低、无法控制巷道围岩变形等问题，提出采用切顶卸压+恒阻大变形锚索控制围岩，通过切顶卸压后在顶板局部范围内切断应力传递路径，降低巷道围岩应力集中程度，以便保护巷道顶板完整性；通过恒阻大变形锚索强化围岩支护，进一步控制顶板下沉量，充分发挥巷道围岩自身承载能力，确保巷道断面满足使用需要。

3.1 切顶卸压参数

切顶卸压护巷关键需要确定合理的切顶参数，采用理论计算以及工程规范两个方面合理确定切顶钻孔技术参数[7-9]。

（1）理论计算。理论计算依据相关学者提出的碎胀系数切缝计算公式确定，具体表达式为：

式中：H缝——切顶钻孔切顶高度，m；

H采高——采面开采高度，取3.15m；

ΔH1——顶板下沉量，0.06m；

ΔH2——底板底鼓量，0.05m；

k——破碎岩体碎胀系数，取1.4。

将上述参数带入公式（1）即求得H缝=7.6m。

（2）依据相关工程规范，确定H缝≥2.6H采高。采面采高为3.15m，则切缝高度应在8.2m 以上。综合考虑确切顶钻孔切顶高度为8.2m。

依据15111回风顺槽现场情况，将切顶钻孔布置在与顶板距采面帮200mm位置且向采面帮有10°倾斜角，切顶钻孔沿着巷道走向布置，钻孔间距均为800mm，切缝深度统一为8.2m。

3.2 恒阻大变形锚索支护

采用恒阻大变形锚索补强支护，可起到承受围岩大变形目的，而且可吸围岩变形释放的能量。具体在巷道内恒阻大变形锚索布置情况如图3所示。恒阻大变形锚索一排布置3 根，布置间排为1200mm、排距为800mm。在靠近切顶钻孔位置布置恒阻大变形锚索可减少切顶爆破对顶板影响，降低顶板下沉量。

图3 恒阻大变形锚索布置示意图

3.3 现场应用效果

在15111回风顺槽进行切顶卸压后，布置测站持续监测巷道围岩变形情况，具体监测结果如图4所示。

图4 巷道围岩变形监测曲线

通过切顶卸压切断了巷道顶板应力传递路径，从而降低采动压力对巷道围岩变形影响、降低巷道围岩应力集中程度；同时通过恒阻大变形锚索对顶板进行补强，进一步发挥巷道直接顶（K2灰岩）自身承载能力，减少岩层离层量及变形量。现场应用后，15111回风顺槽围岩变形量在切顶、补强支护后75d基本趋于稳定，其中顶板下沉、两帮位移量分别稳定在103mm、82mm，围岩变形量整体较小，表明现场确定的切顶卸压技术参数以及恒阻大变形锚索布置参数等较为合理，采用的支护技术在控制动压巷道围岩变形方面取得较好效果。

4 总结

（1）15111 回风顺槽围岩变形呈现出顶板下沉量大、底鼓严重等问题，综合分析导致巷道变形量大的主控因素包括有地质因素、开采因素。地质因素是巷道浅部围岩以泥岩、炭质泥岩等为主，承载能力差、强度低，基本顶（K2 灰岩）具有裂隙发育、整体性及完整性较差；开采因素是采动压力导致围岩中塑性区扩展，原支护体系锚固端不再处于塑性区之外，导致围岩变形量进一步增加，顶板浅部岩体受较大的拉应力影响，局部出现破断垮落情况。

（2）基于15111 回风顺槽现场情况，综合使用切顶卸压+恒阻大变形锚索控制围岩变形，通过切顶卸压降低回风顺槽围岩应力集中程度，恒阻大变形锚索补强支护提高顶板下沉量及离层量。现场应用后，15111回风顺槽围岩变形量大问题得以较好解决，巷道顶板下沉、两帮位移量分别稳定在103mm、82mm，基本不出现底鼓情况，可满足巷道后续使用需要。