厚煤层沿空掘巷水力切顶围岩控制技术实践.pdf

收稿日期：作者简介：牟文辉（），男，陕西宝鸡人，工程师，长期从事生产技术管理工作。厚煤层沿空掘巷水力切顶围岩控制技术实践牟文辉，强丁（陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 ）摘要：针对厚煤层综采工作面留设煤柱沿空掘巷巷道围岩大变形技术难题，以陕西黄陵二号煤矿 工作面回风巷为工程背景，分析切顶卸压围岩稳定控制机理，认为切顶卸压节理为切断应力传递路径、减小悬顶长度、改善应力集中，理论确定了切顶高度及角度等技术参数。结合 工作面生产条件，确定了 回风巷煤柱侧水压致裂切顶卸压技术方案并应用于现场实践。现场监测结果表明，回风巷采用切顶卸压技术后，两帮收敛量最大为 ，顶底板移近量最大为 ，有效降低了巷道围岩应力，保证工作面安全高效回采。关键词：厚煤层；坚硬顶板；沿空掘巷；水压致裂；围岩控制中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；引言厚煤层坚硬顶板条件下的沿空掘巷巷道围岩大变形 ，一直是煤炭生产企业与国内外专家学者重点关注的问题，其主要原因是煤柱宽度不合理、支护强度不足 、侧向悬顶较长 、悬顶运动过程中的动压扰动等 。针对侧向悬顶过长、难冒落这一诱因，国内外综采工作面常用预裂爆破 和水压致裂 种主动干预手段。相对于预裂爆破技术而言，水压致裂切顶卸压具有切顶深度高、范围大、操作方便、安全性好等 显著优势，已在我国不同矿区综采工作面展开试验和推广并取得显著成效。国内外研究人员针对切顶卸压机理 、沿空掘巷围岩控制 、冲击地压防治 及裂缝扩展规律等 方面展开相关研究并用于现场施工指导。康红普等 结合断裂力学理论，分析了煤岩层水压致裂裂缝的扩展机理及主要影响因素，为煤矿井下安全回采及高应力巷道围岩控制提供理论和实践依据。许第 期牟文辉强丁厚煤层沿空掘巷水力切顶围岩控制技术实践磊等 综合分析了近位关键层切顶卸压关键参数对沿空掘巷围岩变形的影响规律并确定了合理保护煤柱宽度及切顶参数。牛同会 在分析了坚硬顶板悬顶对矿压规律显现特征基础上，提出了分段水压致裂技术，并在现场应用。黄炳香等 利用真三轴试验系统，揭示了应力差、裂隙等对水压裂缝的扩展影响机理，将坚硬顶板水压致裂成套技术应用于现场实践。以上研究为坚硬顶板的人为干预控制提供了理论及现场实践依据，然而煤矿井下巷道围岩受采掘扰动及地应力的叠加影响，其变形机理难以量化表征且水压致裂裂缝扩展机理还未完全明确，针对具体地质情况还需进一步研究。为此，以黄陵二号煤矿 回风巷留设 煤柱沿空掘巷为工程背景，分析了厚煤层坚硬顶板下沿空掘巷切顶卸压控制机理，确定 回风巷水压致裂切顶卸压方案，并进行现场实践验证。工程概况黄陵二号煤矿隶属于陕西陕煤黄陵矿业公司，位于陕西省黄陵县双龙镇，核定年生产能力可达 万 ，设计服务年限 。工作面回风巷沿 号煤层顶板掘进与 工作面采空区之间留设 煤柱，总长度 ，巷道平均埋深 。巷道位置及四邻关系如图 所示。?图 工作面布置 号煤层结构简单，厚度变化较稳定（），煤层平均厚度 ，煤层近水平发育，一般倾角为 ，平均 。号煤层直接顶粉砂岩厚度为 ，基本顶细砂岩厚度为 ，基本底细砂岩厚度为 ，煤岩层综合柱状见表 。回风巷掘进断面为矩形 （宽 高），掘进断面 ，采用锚网索联合支护，巷道断面原支护设计如图 所示。顶锚索使用 十九芯防腐锚索，间排距 ，布置，配套使用 钢带及 钢垫片，顶角锚索与顶板呈 ，每根锚索使用 卷 和 卷 锚固剂，钢带长度为 。表 煤岩层综合柱状表 层位岩石名称厚度 岩性描述基本顶细砂岩 灰色，成分以石英长石为主，泥钙质胶结，层面富集云母片，含黄铁矿结合直接顶粉砂岩 灰色，较疏松，白云母质点较多，水平层理，含黄铁矿薄膜及植物化石碎片煤层号煤层 黑色，粉色为褐黑色，细条带结构，层状构造，夹矸岩性为灰黑色泥岩直接底碳质泥岩 深黑色，易风化破碎，疏松，可见滑面，含植物化石碎片基本底细砂岩 灰绿色，成分以石英长石为主，缓波状层理，泥钙质胶结，分选中等，夹薄层泥岩?图 巷道断面原支护设计 顶锚杆采用 左旋螺纹钢锚杆，间排距 ，配合钢筋梯子梁及钢托盘使用，每根锚杆使用 卷 和 卷 锚固剂，钢筋梯子梁由 圆钢加工，长度 。回采帮锚杆采用 高强度树脂锚杆，间排距 ，配套使用规格为 的木托盘。煤柱侧帮部采用 左旋螺纹钢锚杆，间排距 ，配合 钢带及垫片支护，垫片规格为 的钢托盘。长度分别为 。每根锚杆使用 卷 和 卷 树脂药卷。陕西煤炭 年顶板采用规格为 铁丝菱形网，回采帮采用规格为 复合网，煤柱帮部采用规格为 钢筋网片。沿空掘巷切顶卸压围岩控制机理 沿空掘巷大变形原因分析工作面开采结束后，随着基本顶悬顶长度达到其极限跨距时发生周期性破断，采空区侧向顶板在煤体上方断裂形成 、关键块。一般情况下不切顶时，回风巷沿空掘巷顶板围岩结构如图 所示。?图 不切顶沿空掘巷围岩结构 直接顶未完全垮落形成不稳定采空区。工作面回采厚度 ，直接顶为厚度 且强度较高的粉砂岩，工作面回采结束后，低位直接顶难以充分垮落充满采空区形成较大的自由空间，高位直接顶破断形成的不稳定铰接结构只能够短暂承受基本顶传递载荷，不能在掘巷扰动影响下保持长期稳定，此外煤柱在无稳定矸石结构提供的侧向围压条件下承载能力降低，变形破坏程度加剧。基本顶悬顶长度大、回转过程中动载扰动程度高。回风巷上方基本顶为 厚的坚硬细砂岩，其完整性好，悬顶长度大。根据面积分摊法，悬顶过长将进一步导致传递给煤柱的载荷增加，在回转下沉至触矸前采空区矸石无法对基本顶形成有效支撑，回转过程中形成的附加高应力对下方巷道围岩的破坏进一步增强，煤柱灾变失稳风险性高。基本顶旋转下沉量大、周期长。采空区内的矸石未完全垮落，存在较大自由空间，基本顶回转下沉量大、稳定周期长，巷道围岩在长期附加高应力环境下会发生蠕变变形，难以实现保证沿空巷道的长期稳定。切顶卸压围岩控制机理分析通过对沿空掘巷围岩大变形原因的分析，确定切顶卸压围岩控制机理。一是切断采动应力传递路径 降低其对侧向煤体的损伤扰动，提高沿空掘巷巷道围岩的强度。二是切顶提高采空区高位直接顶的垮落程度、消除基本顶向采空区旋转的自由空间，并促使矸石为煤柱提供侧向压力、对高位基本顶形成有效支撑。三是切顶减小巷道上方坚硬基本顶的侧向悬顶长度 ，降低基本顶旋转过程中的动压影响，改善巷道高应力环境，降低围岩的非对称大变形。四是切顶能够遏制基本顶较大位移的回转运动，并消除顶板高应力集中与煤柱大变形灾变失稳的动压联动效应。回风巷煤柱侧坚硬顶板切顶卸压后围岩控制效果如图 所示。结合黄陵二号煤矿实际生产地质条件，回风巷沿空掘巷切顶卸压采用水压致裂法施工。?图 切顶后沿空掘巷围岩结构 水压致裂切顶卸压控制技术切顶角度，切顶角度与钻机施工技术参数、巷道断面尺寸，顶板岩性特征等有关。切顶角度设计如图 所示。?图 切顶角度设计 切顶应避免对煤柱造成冲击损伤，保证煤柱能够稳定承载、基本顶运动过程中不发生滑落失稳。因此，切顶角度 需满足 （）()（）式中，为基本顶厚度，；为基本顶关键块间第 期牟文辉强丁厚煤层沿空掘巷水力切顶围岩控制技术实践的摩擦角，；为基本顶跨距，；为煤层开采厚度，；为工作面采出率，厚煤层采出率为 ；为上覆岩层平均碎胀系数，取 ；为直接顶能够冒落的厚度，。代入公式（）即可得所需切顶角度为 。回风巷煤柱侧切顶卸压方案设计如图 所示。切顶高度既要使冒落矸石充满采空区，又要保证基本顶能够顺利切断，根据综合柱状表，确定切顶层位为基本顶细砂岩，切顶高度为 （基本顶高度的 处）。钻孔直径 ；钻孔终孔深度由切顶角度和切顶高度确定，钻孔深度为 。在 胶带巷煤柱帮肩窝施工，钻孔仰角 。结合现场经验，钻孔间距为 。每个压裂孔采用倒序法进行压裂施工共计压裂 次，压裂顺序为 。点距离孔口 ，点距离孔口 ，点距离孔口 ，点距离孔口 。?图 切顶卸压方案设计 沿空掘巷切顶卸压控制效果分析 顶板水压致裂效果分析对 回风巷煤柱侧水压致裂后顶板施工窥视钻孔，利用 型钻孔窥视仪观测水压致裂切顶效果，如图 所示。可以看出，在压裂点所在区域附近，顶板岩层出现了环向及纵向交错裂纹，压裂效果良好。围岩变形监测结果分析利用十字交叉法在 回风巷内布置 个监测测站，分析切顶与未切顶的巷道围岩变形特征，现场监测结果如图 所示。由图 可知，切顶后围岩变形在掘进 趋于稳定，两帮最大移近量为 ，顶底板移近量最大为 。相比不切顶条件下，巷道掘进稳定时间缩短 ，两帮移近量降低 ，顶底板移近量降低 ，可以有效控制围岩变形，确保巷道安全使用。?图 顶板压裂效果 结论（）分析了 回风巷大变形原因及煤柱侧坚硬顶板切顶卸压机理，切顶卸压节理为切断应力传递路径、减小悬顶长度、改善应力集中。（）基于现场实际生产条件，确定了水压致裂现场施工技术参数，切顶高度 ，钻孔深度 ，角度 ，间距 ，单孔压裂共计 个压裂点。（）钻孔窥视结果表明，高压水在坚硬岩层内产生大量相互贯通的次生裂隙，巷道顶底板移近量最大为 ，两帮收敛量最大达到 ，说明水压致裂切顶卸压应用效果良好，围岩高应力环境得到有效改善，保证了巷道的安全使用。参考文献：戚福周 高应力沿空掘巷切顶卸压围岩变形机理及控制研究 徐州：中国矿业大学，马文伟 大采高坚硬顶板工作面巷道围岩控制技术 煤矿安全，（）：樊俊鹏，童荣，王亚军 特厚煤层坚硬顶板孤岛工陕西煤炭 年?图 围岩变形现场监测 作面综放开采技术研究 煤炭工程，（）：姚智康，鱼智元 象山煤矿 回风巷过断层破碎带围岩控制技术 陕西煤炭，（）：和刚，于健浩 深部高应力区段煤柱留设合理性及综合卸荷技术 煤炭学报，（）：，：康红普，张晓，王东攀，等 无煤柱开采围岩控制技术及应用 煤炭学报，（）：张百胜，王朋飞，崔守清，等 大采高小煤柱沿空掘巷切顶卸压围岩控制技术 煤炭学报，（）：柏建彪，王襄禹，闫帅，等 基于应力场干预的巷道围岩控制技术 矿业工程研究，（）：庞立宁，刘毅涛，邸晟钧，等 冲击地压矿井水射流联合水力压裂宽煤柱卸压技术研究 煤炭程，（）：董琪，王媛，冯迪 水压致裂起裂压力的细观离散元模拟及试验研究 岩土力学，（）：康红普，冯彦军 煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用 煤炭科学技术，（）：许磊，李明伟，郭亮，等 切近位关键层卸压沿空掘巷关键参数与工程应用 采矿与安全工程学报，（）：牛同会 分段水力压裂弱化采场坚硬顶板围岩控制技术研究 煤炭科学技术，（）：黄炳香，赵兴龙，陈树亮，等 坚硬顶板水压致裂控制理论与成套技术 岩石力学与工程学报，（）：赵善坤 深孔顶板预裂爆破与定向水压致裂防冲适用性对比分析 采矿与安全工程学报，（）：孙志勇，张镇，王子越，等 水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的应用研究 煤炭科学技术，（）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页）牛会永，刘轶康，王海燕，等 浸水风干烟煤微观结构及自燃升温特性实验研究 煤矿安全，（）：秦波涛，宋爽，戚绪尧，等 浸水过程对长焰煤自燃特性的影响 煤炭学报，（）：步允川，徐永亮，刘泽健，等 浸水风干对长焰煤氧化燃烧规律的影响 南京工业大学学报（自然科学版），（）：，（）：，：司磊磊，席宇君，王洪洋，等 水浸干燥后煤的孔隙结构及瓦斯吸附特性变化规律 煤田地质与勘探，（）：徐长富 水浸煤自燃宏观特征及防治技术研究 北京：中国矿业大学，关欣，刘育伟，任重阳，等 基于 三维重构的无烟煤孔隙结构及连通性特征对比表征 非常规油气，（）：张小梅，王绍清，陈昊，等 低煤级煤的石墨化研究：芳香结构演化特征 煤炭学报，（）：，（）：，（）：张晓昱，张玉龙，王俊峰，等 外来水分对煤自燃过程影响及作用机制研究 燃料化学学报，（）：朱红青，沈静，张亚光 升温速率和氧浓度对煤表观活化能的影响 煤炭科学技术，（）：，第 期牟文辉强丁厚煤层沿空掘巷水力切顶围岩控制技术实践