沿空留巷围岩卸压支护协同控制技术研究.pdf

第 ４８ 卷第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４８ Ｎｏ􀆱 ８ ２０２０ 年８ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｕｇ.２０２０ 移动扫码阅读 陈金宇.沿空留巷围岩卸压支护协同控制技术研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０２０ꎬ４８８４４－４９􀆱 ｄｏｉ１０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０８􀆱 ００４ ＣＨＥＮ Ｊｉｎｙｕ.Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｉｅｆ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｆ ｇｏｂ－ ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２０ꎬ４８８４４－４９􀆱 ｄｏｉ１０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０８􀆱 ００４ 沿空留巷围岩卸压支护协同控制技术研究 陈 金 宇１ꎬ２ꎬ３ １.中煤科工开采研究院有限公司ꎬ北京 １０００１３ꎻ２.天地科技股份有限公司 开采设计事业部ꎬ北京 １０００１３ꎻ ３. 煤炭科学研究总院 开采研究分院ꎬ北京 １０００１３ 摘 要为解决沿空巷道受相邻采空区未断裂基本顶形成的悬臂梁支承压力影响的问题ꎬ采用水力压 裂顶板卸压的方法ꎬ对采空区基本顶提前压裂ꎬ尽量减少相邻采空区基本顶形成悬臂梁结构ꎬ从而降 低和转移沿空巷道顶板所受支撑压力的强度ꎮ 在此基础上采用柔模袋充填混凝土在沿空巷道和采空 区间做人工墙ꎬ对充填混凝土进行井下强度测试ꎬ同时对沿空巷道顶板以及所做的人工墙进行强力锚 网支护ꎬ使其最大限度恢复到三向应力状态ꎬ提高其抗载能力ꎮ 通过现场人工墙压应力和顶底板移近 量监测对比表明进行水力压裂卸压后ꎬ人工墙承受沿空巷道顶板最大压应力为 ２１ ＭＰａꎬ比未进行水 力压裂卸压区域所受压应力降低了 ３６.４％ꎻ沿空巷道顶底板移近量为 ３２０ ｍｍꎬ降低了 ４６.５％ꎮ 水力 压裂卸压后ꎬ极大改善了 ３１０９ 辅助进风巷的应力环境ꎬ降低了沿空巷道顶底板移近量ꎬ保证了沿空巷 道的安全使用ꎬ有效的缓解采掘紧张的局面ꎮ 关键词沿空留巷ꎻ水力压裂ꎻ卸压支护协同控制ꎻ柔模人工墙ꎻ强力锚网支护ꎻ人工墙压应力 中图分类号ＴＤ３２２ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０２００８－００４４－０６ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｉｅｆ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｆ ｇｏｂ－ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ ＣＨＥＮ Ｊｉｎｙｕ１ꎬ２ꎬ３ １.ＣＣＴＥＧ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ２.Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔꎬＴｉａｎｄｉ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ３.Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ ＢｒａｎｃｈꎬＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａ 收稿日期２０２０－０１－２３ꎻ责任编辑杨正凯 基金项目国家重点研发计划资助项目２０１７ＹＦＣ０６０３００４ 作者简介陈金宇１９８２ꎬ男ꎬ江苏响水人ꎬ副研究员ꎮ Ｅ－ｍａｉｌｄａｙｕ５０００＠ １６３.ｃｏｍ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｅａｍ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｕｎｂｒｏｋｅｎ ｍａｉｎ ｒｏｏｆ ｉｎ ｔｈｅ ａｄｊａｃｅｎｔ ｇｏｂꎬ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｒｏｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｉｅｆ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｐｒｅ－ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｏｏｆ ｉｎ ｔｈｅ ｇｏｂ ａｎｄ ｍｉｎｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ａｄｊａｃｅｎｔ ｍｉｎ￣ ｉｎｇ. Ｔｈｅ ｃａｎｏｐｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ｏｆ ｔｈｅ ｇｏｂꎬ ｔｈｅｒｅ ｂｙ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｐｒｅｓ￣ ｓｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ｏｆ ｔｈｅ ｇｏｂ－ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ. Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓꎬ ｔｈｅ ｓｏｆｔ ｆｉｌｍ ｂａｇ ｆｉｌｌｉｎｇ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ａ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗａｌｌ ｉｎ ｔｈｅ ｇｏｂ－ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ ａｎｄ ｇｏｂ ｓｅｃｔｉｏｎꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｌｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ. Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅꎬ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ｏｆ ｔｈｅ ｇｏｂ－ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ ａｎｄ ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗａｌｌ ａｒｅ ｓｔｒｏｎｇｌｙ ａｎｃｈｏｒｅｄ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｅｓｈ ｔｏ ｍａｋｅ ｉｔ ｒｅｃｏｖｅｒ ｔｏ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｅ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｘｔｅｎｔ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅｉｒ ｌｏａｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ. Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗａｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ａｆｔｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎꎬ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏａｄｗａｙ ｉｓ ２１ ＭＰａꎬ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ３６.４％ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ａｒｅａ ｗｉｔｈｏｕｔ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｉｅｆꎻ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｇｏｂ－ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ ｉｓ ３２０ ｍｍꎬ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ４６.５％. Ａｆｔｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｉｅｆꎬ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ Ｎｏ.３１０９ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ａｉｒ ｉｎｔａｋｅ ｒｏａｄｗａｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄꎬ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｇｏｂ－ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｄｕｃｅｄꎬ ｔｈｅ ｓａｆｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｏｂ－ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｎｓｕｒｅｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｌｉｅｖｅｄ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｇｏｂ－ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ ｒｅｔａｉｎｉｎｇꎻ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇꎻ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｉｅｆ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌꎻ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗａｌｌꎻ ｓｔｒｏｎｇ ａｎｃｈｏｒ ｍｅｓｈ ｓｕｐｐｏｒｔꎻ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗａｌｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ４４ 陈金宇沿空留巷围岩卸压支护协同控制技术研究２０２０ 年第 ８ 期 ０ 引 言 近年来ꎬ随着开采工作面机械化程度越来越高ꎬ 开采速度的不断提升ꎬ但同时矿井下地质条件也越 来越复杂ꎬ极易造成采掘衔接紧张ꎬ沿空留巷技术成 为解决这个难题的有效办法ꎬ即采用上个工作面的 回采巷道进行无煤柱留巷ꎬ继续为下个工作面服务ꎮ 此时巷道除受到本工作面滞后及侧向支撑压力影 响ꎬ还要受到下个工作面回采的动压的剧烈影响ꎬ巷 道支护十分困难ꎮ 究其原因ꎬ主要是巷道处于工作 面回采后的采空区基本顶无法及时断裂垮落ꎬ形成 悬臂梁结构ꎬ是采空区基本顶的垂直应力大量转移 到沿空留巷的顶板ꎬ使巷道围岩处于不稳定的高应 力状态下ꎬ持续不断发生变形乃至破坏[１－３]ꎮ 目前 沿空留巷技术、材料、工艺已经在很多煤矿进行了应 用ꎮ 根据沿空留巷的生产地质条件ꎬ可以采取砌砖、 钢管混凝土、矸石配高水材料充填、柔模袋充填混凝 土等方法ꎬ但沿空留巷的使用情况并不好ꎬ常在很短 时间ꎬ发生剧烈变形收缩ꎬ甚至完全闭合ꎬ这就失去 了留巷的意义[４－６]ꎮ 目前水力压裂技术在煤矿主要是处理工作面初 采垮落距较大的问题ꎮ 冯彦军等[７]在晋煤王台铺 煤矿采用定向水力压裂技术处理坚硬顶板难垮问 题ꎮ 首先采用切槽钻头在岩体较为完整段预制横向 切槽ꎬ然后使用跨式膨胀型封隔器进行分段封孔ꎬ对 坚硬顶板同一钻孔进行多次压裂ꎬ从而有效弱化顶 板ꎮ 文献[８－９]采用岩石的三轴压缩试验研究高压 水在岩体中的运动状况ꎬ并通过现场对其进行了验 证ꎮ 由康红普[１１]提出的“强力支护理论” 和何满 潮[９]提出的“先让卸后支ꎬ能量释放”理论也逐渐 的归化统一ꎮ 鉴于此ꎬ笔者拟在远场卸压、近场强支 协同控制巷道围岩方面开展研究ꎬ旨在解决沿空留 巷、动压巷道等围岩控制问题ꎮ １ 试验巷道生产地质条件 １.１ 巷道布置 新元煤矿 ３１０９ 工作面采用综合机械化采煤ꎬ工 作面东部为尚未开采的 ３１１０ 工作面ꎬ西部为 ３１０８ 采空区ꎬ北部为东区运输大巷ꎬ南部为西垴村保护煤 柱ꎮ ３１０９ 工作面走向长度 １ ４６４ ｍꎬ倾向长度 ２１０ ｍꎬ辅助进风巷和回风巷之间煤柱为 ４０ ｍꎬ巷道净断 面 １８.７２ ｍ２ꎬ平均埋深 ４９８ ｍꎮ 为解决采掘衔接紧 张以及瓦斯排放问题ꎬ新元矿 ３１０９ 工作面辅助进风 巷采取沿空留巷ꎬ为 ３１１０ 工作面服务ꎬ巷道布置如 图 １ 所示ꎮ 为保证 ３１０９ 辅助进风巷沿空留巷的安 全稳定性ꎬ减小巷道后期变形程度ꎬ减小巷道返修和 补强支护强度ꎬ首先在新元煤矿 ３１０９ 辅助进风巷采 用水力压裂技术对顶板岩层进行压裂卸压ꎬ尽量减 少 ３１０９ 采空区基本顶悬顶ꎬ以此降低和转移工作面 上覆岩层储存的高应力ꎬ改善 ３１０９ 辅助进风巷的应 力环境ꎬ降低巷道维护难度ꎮ 在此基础上ꎬ采用柔模 袋混凝土充填人工墙结合高强锚网支护ꎬ保证留巷 的稳定性ꎮ 图 １ ３１０９ 工作面回采巷道平面布置 Ｆｉｇ.１ Ｌａｙｏｕｔ ｐｌａｎ ｏｆ ｅｎｔｒｙ ｉｎ Ｎｏ.３１０９ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ １.２ 煤层赋存特征及顶底板岩性 新元煤矿 ３ 号煤层以亮煤为主ꎬ结构简单且赋 存较为稳定ꎬ内生裂隙发育ꎮ ３ 号煤层中一般含 １ ２ 层泥质夹矸ꎬ厚度一般为 ０.０２０.０５ ｍꎮ 煤层顶板 受古河床冲蚀及受沉积环境影响ꎬ存在煤层变薄现 象ꎮ 煤层倾角一般为 ２ ８ꎬ平均 ５ꎬ煤层厚度 ２.００３.３０ ｍꎬ平均 ２.７５ ｍꎮ 煤层上部存在高岭石泥 岩伪顶ꎬ厚度约为 ０.２５ ｍꎻ直接顶为厚 ２.７０ ｍ 左右 的黑色砂质泥岩ꎻ基本顶为厚 ６.３０ ｍ 左右的中粒砂 岩ꎬ局部含粉砂岩条带ꎮ 直接底为厚 ３.７０ ｍ 的黑色 含植物化石的砂质泥岩ꎻ基本底为厚 １８.９５ ｍ 中粒砂 岩ꎬ局部含粉炭质条带ꎮ ３ 号煤层地质柱状如图 ２ 所示ꎮ 根据现场地质力学测试得出最大水平主应力 σＨ＝１６.０３ ＭＰａꎬ最小水平主应力 σｈ＝１０.１９ ＭＰａꎬ垂 直主应力 σｖ＝ １４.１２ ＭＰａꎬ中粒砂岩强度平均值为 ８２.２４ ＭＰａꎬ砂质泥岩强度平均值为 ５８.３８ ＭＰａꎮ ２ ３１０９ 辅助进风巷沿空留巷卸－支设计 ２.１ 水力压裂卸压方案设计 １压裂钻孔布置ꎮ 水力压裂工作与工作面正 常生产不能互相干扰ꎬ压裂钻孔应超前工作面布置ꎮ 钻孔参数应根据顶板岩层的岩性、厚度、结构完整性 等来确定ꎮ 根据 ３ 号煤顶板综合柱状图 ２ 可知ꎬ压 裂区域主要是顶板较为完整的泥岩和中粒砂岩ꎮ 在 ３１０９ 辅助进风巷顶板采用地质钻机打孔ꎬ钻孔直径 ５６ ｍｍꎮ 根据现场施工环境ꎬ确定在距采空区侧帮 ５４ ２０２０ 年第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 图 ２ ３ 号煤层地质柱状 Ｆｉｇ.２ Ｎｏ.３ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｈｉｓｔｏｇｒａｍ １.０ ｍ 顶板打孔ꎬ钻孔投影与巷道轴线方向夹角 １５ꎬ 与底板仰角为 ５０ꎮ 根据顶板较完整坚硬的岩层位 置ꎬ确定压裂垂深为３４.５ ｍꎬ则压裂钻孔长度为４５.０ ｍꎬ孔间距为 ８.０ ｍꎮ 为了保证压裂过程中巷道顶板 安全ꎬ顶板 ０ ９.０ ｍ 垂深为沿空留巷顶板支护范 围ꎬ不进行压裂ꎬ则钻孔压裂深度为 １１.７４５.０ ｍꎬ 每隔 ３.０ ｍ 压裂一次ꎬ可根据顶板岩层的完整性 和强度ꎬ适当调整ꎬ每孔压裂 １１ 次左右ꎬ每次保 压不少于 ３０ ｍｉｎꎮ 水力压裂卸压钻孔布置如图 ３ 所示ꎮ ２压裂参数ꎮ 根据压裂区域岩层最大、最小主 应力及岩层抗拉强度ꎬ可计算裂缝起裂压力 Ｐｂ＝３σｍｉｎ －σ ｍａｘ ＋σ ｔ １ 根据 ３１０９ 辅助运输巷地质力学参数及岩体强 度测试结果最小水平主应力 σｍｉｎ＝ １０.１９ ＭＰａꎬ最 大水平主应力 σｍａｘ＝１６.０３ ＭＰａꎬσｔ为岩石的抗拉强 度ꎬ计算可得最低起缝压裂达到 ２３ ＭＰａꎮ 考虑到水 柱压升的高度、压力在较长管路传输中的损失、裂纹 穿层扩展中的各种压力损失ꎬ需要一定的其压力损 失系数ꎬ结合现场经验ꎬ最终确定需要高压注水泵的 压力为 ４０ ＭＰａ 以上ꎬ 注水泵流量 为 ７０ Ｌ/ ｍｉｎ 以上[１２－１３]ꎮ ３施工工艺ꎮ ①首先使用煤矿防爆地质钻机ꎬ 直径为 ５６ ｍｍ 的钻头按照钻孔设计参数进行打孔ꎬ 控制好钻孔的角度ꎬ尽量使一排钻孔的压裂裂纹能 够勾连贯通ꎬ有利于悬顶的断裂ꎻ②打设压裂钻孔 后ꎬ要立即用水冲洗钻孔内壁ꎻ③打孔过程中尽量降 图 ３ 水力压裂卸压钻孔布置 Ｆｉｇ.３ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｂｏｒｅｈｏｌｅ 低钻进速度ꎬ减小钻机推力ꎬ使完成的钻孔成一条直 线ꎬ这样有利于后期封孔器的顺利推入ꎻ④采用注水 钢管将封孔器慢慢推入钻孔里ꎬ并到达压裂位置ꎻ然 后ꎬ连接手动泵和胶管ꎬ对封孔器进行加压膨胀ꎬ从 而达到对压裂段两侧封隔的目的ꎬ封孔系统如图 ４ａ 所示ꎻ⑤最后ꎬ连接高压注水泵、高压胶管、水压仪和 注水钢管、封孔器对封隔压裂段进行注水压裂ꎬ压裂 系统如图 ４ｂ 所示[１４－１５]ꎮ 压裂过程中ꎬ要有专人密切注意顶板变化、压力 ６４ 陈金宇沿空留巷围岩卸压支护协同控制技术研究２０２０ 年第 ８ 期 图 ４ 压裂封孔及高压注水连接系统流程 Ｆｉｇ.４ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅａｌｉｎｇ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ 表的读数、巷道淋水情况ꎬ若有异常ꎬ应立即停泵ꎬ情 况严重时ꎬ人员也立即撤离ꎬ或由外向内支设加强支 柱或其他顶板防护措施ꎮ ２.２ 柔模袋混凝土人工墙与强力锚索支护设计 随着水力卸压及工作面的向前推进ꎬ紧跟着对 沿空巷道顶板补强ꎬ然后在沿空巷道与采空区之间 采用柔膜袋充填混凝土做人工墙ꎬ配以强力锚网支 护ꎮ 借助对拉锚杆的约束作用使柔模混凝土人工墙 处于三向受压状态ꎬ使其具有更高的抗压强度和抗 变形能力ꎬ从而大幅提高柔模混凝土人工墙结构的 承载能力[１１－１２]ꎮ １顶板加强支护设计方案ꎮ ３１０９ 辅助进风巷 净宽 ５.２ ｍꎬ净高 ３.６ ｍꎬ净断面 １７.４ ｍ２ꎬ设计采用锚 索梁加强支护ꎮ 设计方案如图 ５ 所示ꎮ 图 ５ 水力卸压钻孔布置及沿空留巷顶板强力支护布置 Ｆｉｇ.５ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｉｅｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｒｏｏｆ ｓｔｒｏｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｆ ｇｏｂ－ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ 巷道顶板设计每排布置 ８ 根锚杆ꎬ间排距 １ ０００ ｍｍ２ ０００ ｍｍꎬ最左边锚索距离帮 ２００ ｍｍꎬ全部垂 直打设ꎮ 采用直径 ２２ ｍｍꎬ长度 ７ ３００ ｍｍ 锚索ꎬ外 露长度为 ３００ ｍｍꎻ锚索托板采用强度与索体匹配的 规格为 ３００ ｍｍ３００ ｍｍ１４ ｍｍ 的拱形托板ꎮ 钢筋 托梁采用直径为 １４ ｍｍ 的钢筋焊接ꎬ托梁宽度为 ２２０ ｍｍꎬ长度为３ ５００ ｍｍꎬ每排２ 根ꎮ 每根锚索用１ 支 Ｋ２３３５ 与 ２ 支 Ｚ２３６０ 树脂药卷进行锚固ꎬ顶板锚 索初始预紧力不小于 ３００ ｋＮꎮ ２浇筑人工墙加强支护ꎮ 根据已有的工程经 验及计算ꎬ充填材料选择采用 Ｃ３０ 混凝土ꎬ具体材 料配比见表 １ꎬ强度曲线如图 ６ 所示[１６－１７]ꎮ 表 １ Ｃ３０ 泵注混凝土配比 Ｔａｂｌｅ １ Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ Ｃ３０ ｐｕｍｐ ｃｏｎｃｒｅｔｅ 混凝土成分胶凝材料水骨料 混凝土基料水泥４２５水石子砂子 １ ｍ３混凝土基料质量/ ｋｇ５６０２３０８００７６０ 图 ６ 井下实测 Ｃ３０ 混凝土强度变化曲线 Ｆｉｇ.６ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｃ３０ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ 混凝土材料充填至柔模袋凝固后ꎬ采用钢筋网、 对拉锚杆以及钢护板对其施加表面约束ꎬ提高整体 的强度ꎮ ３１０９ 辅助进风巷高度在 ３.６ ｍ 左右ꎬ考虑 ３００ ｍｍ 的接顶富余量ꎬ柔模袋设计规格长高厚＝ ３.０ ｍ３.９ ｍ２.０ ｍꎬ设有锚栓孔、泵注口、瓦斯抽采 孔ꎮ 在柔模袋支护墙体内预置锚杆ꎬ两端分别配置 托盘及螺母ꎬ间排距为 １ ０００ ｍｍ１ ０００ ｍｍꎮ 锚杆 规格采用 ２２ ｍｍ２ ２００ ｍｍꎬ两端螺纹长度分别为 １００ ｍｍꎮ 钢筋托采用直径为 １４ ｍｍ 钢筋焊接ꎬ托梁 宽度为 １１０ ｍｍꎬ长度为 ３ ４００ ｍｍꎮ 钢筋网采用 ６.５ ｍｍ的钢筋焊接而成ꎬ网孔规格为 ５０ ｍｍ５０ ｍｍꎬ网片尺寸为 ３.４ ｍ１.２ ｍꎮ 锚杆托板采用与杆 体强度匹配的 １５０ ｍｍ１５０ ｍｍ１０ ｍｍ 高强度拱形 托板ꎮ 锚杆间排距 １ ０００ ｍｍ１ ０００ ｍｍꎬ采用两端 预紧对拉方式ꎬ初期锚杆预紧力矩不小于 ３００ Ｎ􀅱ｍꎮ 柔模混凝土注入口直径为 ２３０ ｍｍꎬ泵注口上边缘距 柔模顶部 ５００ ｍｍ[１８－１９]ꎬ人工墙支护结构布置如图 ７ 所示ꎮ ３ 柔模人工墙应力及巷道位移监测 ３１０９ 辅助进风巷从 ０４００ ｍ 未卸压进行留巷ꎬ 从 ４００９００ ｍ 段进行水力压裂卸压后留巷ꎬ具体压 ７４ ２０２０ 年第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 图 ７ ３１０９ 工作面沿空留巷柔模人工墙支护结构布置 Ｆｉｇ.７ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｓｏｆｔ ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗａｌｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ Ｎｏ.３１０９ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ 裂位置如图 １ 所示ꎮ 在 ３１０９ 辅助进风巷留巷段 ０ ４００ ｍ 和 ４００９００ ｍ 分别设立监测站ꎬ对比分析是 否进行水力压裂卸压时顶板对柔模人工墙的压应力 如图 ８ 所示ꎬ顶底板移近量如图 ９ 所示ꎮ 图 ８ 柔模混凝土人工墙压应力监测曲线 Ｆｉｇ.８ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗａｌｌ 图 ９ 沿空巷道顶底板移近量观测曲线 Ｆｉｇ.９ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｏｆ ｇｏｂ－ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ 从图 ８９ 可以看出ꎬ观测 ６０ ｄ 后ꎬ未卸压时留 巷人工墙承受最大压应力为 ３３ ＭＰａꎬ顶底板最大移 近量为５９８ ｍｍꎻ进行水力卸压后留巷人工墙承受最 大压应力为 ２１ ＭＰａꎬ降低了 ３６.４％ꎻ顶底板最大移 近量为 ３２０ ｍｍꎬ降低了 ４６.５％ꎬ且基本稳定ꎬ说明柔 模混凝土人工墙和沿空巷道顶板在强力锚网支护 下ꎬ恢复三向应力状态ꎬ承载能力得到极大的提高ꎮ ４ 结 论 １通过对沿空留巷采空区侧基本顶进行水力 压裂ꎬ能够有效压裂采空区基本顶悬顶ꎬ同时激活岩 层原生的层理和节理ꎬ在高采动应力作用下ꎬ产生滑 动变形ꎬ有效改善沿空巷道的应力环境ꎮ ２采用柔模袋充填混凝土浇筑采空区侧的人 工墙ꎬ结合强力锚网加强支护ꎬ使沿空巷道的顶板和 所做人工墙尽量恢复三向受力状态ꎬ提高了其抗载 能力ꎮ ３沿空留巷围岩采用水力卸压结合强力锚网 协同控制ꎬ从巷道的应力环境、支护强度两方面入手 控制巷道的变形ꎮ 现场监测结果表明ꎬ进行水力压 裂卸压后ꎬ柔模人工墙承受顶板最大压应力为 ２１ ＭＰａꎬ降低 ３６.４％ꎻ顶底板最大移近量为３２０ ｍｍꎬ降 低 ４６.５％ꎮ 致谢在现场实施、监测、分析过程中得到了新 元煤炭有限责任公司荆保平高级工程师、中煤科工 开采研究院有限公司冯彦军博士的帮助和支持ꎬ在 此表示衷心的感谢 参考文献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ [１] 华心祝.我国沿空留巷支护技术及发展现状[Ｊ].煤炭科学技 术ꎬ２００６ꎬ３４１２７８－８１. 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