0 引 言
近年来，随着开采工作面机械化程度越来越高，开采速度的不断提升，但同时矿井下地质条件也越来越复杂，极易造成采掘衔接紧张，沿空留巷技术成为解决这个难题的有效办法，即采用上个工作面的回采巷道进行无煤柱留巷，继续为下个工作面服务。此时巷道除受到本工作面滞后及侧向支撑压力影响，还要受到下个工作面回采的动压的剧烈影响，巷道支护十分困难。究其原因，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，形成悬臂梁结构，是采空区基本顶的垂直应力大量转移到沿空留巷的顶板，使巷道围岩处于不稳定的高应力状态下，持续不断发生变形乃至破坏[1-3]。目前沿空留巷技术、材料、工艺已经在很多煤矿进行了应用。根据沿空留巷的生产地质条件，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，但沿空留巷的使用情况并不好，常在很短时间，发生剧烈变形收缩，甚至完全闭合，这就失去了留巷的意义[4-6]。
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。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。首先采用切槽钻头在岩体较为完整段预制横向切槽，然后使用跨式膨胀型封隔器进行分段封孔，对坚硬顶板同一钻孔进行多次压裂，从而有效弱化顶板。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，并通过现场对其进行了验证。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，能量释放”理论也逐渐的归化统一。鉴于此，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，旨在解决沿空留巷、动压巷道等围岩控制问题。
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，工作面东部为尚未开采的3110工作面，西部为3108采空区，北部为东区运输大巷，南部为西垴村保护煤柱。3109工作面走向长度1 464 m，倾向长度210 m，辅助进风巷和回风巷之间煤柱为40 m，巷道净断面18.72 m2，平均埋深498 m。为解决采掘衔接紧张以及瓦斯排放问题，新元矿3109工作面辅助进风巷采取沿空留巷，为3110工作面服务，巷道布置如图1所示。为保证3109辅助进风巷沿空留巷的安全稳定性，减小巷道后期变形程度，减小巷道返修和补强支护强度，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，尽量减少3109采空区基本顶悬顶，以此降低和转移工作面上覆岩层储存的高应力，改善3109辅助进风巷的应力环境，降低巷道维护难度。在此基础上，采用柔模袋混凝土充填人工墙结合高强锚网支护，保证留巷的稳定性。
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，结构简单且赋存较为稳定，内生裂隙发育。3号煤层中一般含1～2层泥质夹矸，厚度一般为0.02～0.05 m。煤层顶板受古河床冲蚀及受沉积环境影响，存在煤层变薄现象。煤层倾角一般为2°～8°，平均5°，煤层厚度2.00～3.30 m，平均2.75 m。煤层上部存在高岭石泥岩伪顶，厚度约为0.25 m；直接顶为厚2.70 m左右的黑色砂质泥岩；基本顶为厚6.30 m左右的中粒砂岩，局部含粉砂岩条带。直接底为厚3.70 m的黑色含植物化石的砂质泥岩；基本底为厚18.95 m中粒砂岩，局部含粉炭质条带。3号煤层地质柱状如图2所示。
根据现场地质力学测试得出最大水平主应力σH=16.03 MPa,最小水平主应力σh=10.19 MPa，垂直主应力σv=14.12 MPa，中粒砂岩强度平均值为82.24 MPa，砂质泥岩强度平均值为58.38 MPa。
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。水力压裂工作与工作面正常生产不能互相干扰，压裂钻孔应超前工作面布置。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。根据3号煤顶板综合柱状图2可知，压裂区域主要是顶板较为完整的泥岩和中粒砂岩。在3109辅助进风巷顶板采用地质钻机打孔，钻孔直径56 mm。根据现场施工环境，确定在距采空区侧帮
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，钻孔投影与巷道轴线方向夹角15°，与底板仰角为50°。根据顶板较完整坚硬的岩层位置，确定压裂垂深为34.5 m，则压裂钻孔长度为45.0 m，孔间距为8.0 m。为了保证压裂过程中巷道顶板安全，顶板0～9.0 m垂深为沿空留巷顶板支护范围，不进行压裂，则钻孔压裂深度为11.7～45.0 m，每隔3.0 m压裂一次，可根据顶板岩层的完整性和强度，适当调整，每孔压裂11次左右，每次保压不少于30 min。水力压裂卸压钻孔布置如图3所示。
图3 水力压裂卸压钻孔布置
Fig.3 Layout of hydraulic fracturing borehole
2)压裂参数。根据压裂区域岩层最大、最小主应力及岩层抗拉强度，可计算裂缝起裂压力：
Pb=3σmin-σmax+σt
(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 MPa，最大水平主应力σmax=16.03 MPa，σt为岩石的抗拉强度，计算可得最低起缝压裂达到23 MPa。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，需要一定的其压力损失系数，结合现场经验，最终确定需要高压注水泵的压力为40 MPa以上，注水泵流量为70 L/min以上[12-13]。
3)施工工艺。①首先使用煤矿防爆地质钻机，直径为56 mm的钻头按照钻孔设计参数进行打孔，控制好钻孔的角度，尽量使一排钻孔的压裂裂纹能够勾连贯通，有利于悬顶的断裂；②打设压裂钻孔后，要立即用水冲洗钻孔内壁；③打孔过程中尽量降低钻进速度，减小钻机推力，使完成的钻孔成一条直线，这样有利于后期封孔器的顺利推入；④采用注水钢管将封孔器慢慢推入钻孔里，并到达压裂位置；然后，连接手动泵和胶管，对封孔器进行加压膨胀，从而达到对压裂段两侧封隔的目的，封孔系统如图4a所示；⑤最后，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，压裂系统如图4b所示[14-15]。
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
压裂过程中，要有专人密切注意顶板变化、压力表的读数、巷道淋水情况，若有异常，应立即停泵，情况严重时，人员也立即撤离，或由外向内支设加强支柱或其他顶板防护措施。
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，紧跟着对沿空巷道顶板补强，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，配以强力锚网支护。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，使其具有更高的抗压强度和抗变形能力，从而大幅提高柔模混凝土人工墙结构的承载能力[11-12]。
1)顶板加强支护设计方案。3109辅助进风巷净宽5.2 m，净高3.6 m，净断面17.4 m2，设计采用锚索梁加强支护。设计方案如图5所示。
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，间排距1 000 mm×2 000 mm，最左边锚索距离帮200 mm，全部垂直打设。采用直径22 mm，长度7 300 mm锚索，外露长度为300 mm；锚索托板采用强度与索体匹配的规格为300 mm×300 mm×14 mm的拱形托板。钢筋托梁采用直径为14 mm的钢筋焊接，托梁宽度为220 mm，长度为3 500 mm，每排2根。每根锚索用1支K2335与2支Z2360树脂药卷进行锚固，顶板锚索初始预紧力不小于300 kN。
2)浇筑人工墙加强支护。根据已有的工程经验及计算，充填材料选择采用C30混凝土，具体材料配比见表1，强度曲线如图6所示[16-17]。
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，采用钢筋网、对拉锚杆以及钢护板对其施加表面约束，提高整体的强度。3109辅助进风巷高度在3.6 m左右，考虑300 mm的接顶富余量，柔模袋设计规格：长×高×厚=3.0 m×3.9 m×2.0 m，设有锚栓孔、泵注口、瓦斯抽采孔。在柔模袋支护墙体内预置锚杆，两端分别配置托盘及螺母，间排距为1 000 mm×1 000 mm。锚杆规格采用ø22 mm×2 200 mm，两端螺纹长度分别为100 mm。钢筋托采用直径为14 mm钢筋焊接，托梁宽度为110 mm，长度为3 400 mm。钢筋网采用ø6.5 mm的钢筋焊接而成，网孔规格为50 mm×50 mm，网片尺寸为3.4 m×1.2 m。锚杆托板采用与杆体强度匹配的150 mm×150 mm×10 mm高强度拱形托板。锚杆间排距1 000 mm×1 000 mm，采用两端预紧对拉方式，初期锚杆预紧力矩不小于300 N·m。柔模混凝土注入口直径为230 mm，泵注口上边缘距柔模顶部500 mm[18-19]，人工墙支护结构布置如图7所示。
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
3 柔模人工墙应力及巷道位移监测
3109辅助进风巷从0～400 m未卸压进行留巷，从400～900 m段进行水力压裂卸压后留巷，具体压裂位置如图1所示。在3109辅助进风巷留巷段0～400 m和400～900 m分别设立监测站，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，顶底板移近量如图9所示。
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8～9可以看出，观测60 d后，未卸压时留巷人工墙承受最大压应力为33 MPa，顶底板最大移近量为598 mm；进行水力卸压后留巷人工墙承受最大压应力为21 MPa，降低了36.4%；顶底板最大移近量为320 mm，降低了46.5%，且基本稳定，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，恢复三向应力状态，承载能力得到极大的提高。
4 结 论
1)通过对沿空留巷采空区侧基本顶进行水力压裂，能够有效压裂采空区基本顶悬顶，同时激活岩层原生的层理和节理，在高采动应力作用下，产生滑动变形，有效改善沿空巷道的应力环境。
2)采用柔模袋充填混凝土浇筑采空区侧的人工墙，结合强力锚网加强支护，使沿空巷道的顶板和所做人工墙尽量恢复三向受力状态，提高了其抗载能力。
3)沿空留巷围岩采用水力卸压结合强力锚网协同控制，从巷道的应力环境、支护强度两方面入手控制巷道的变形。现场监测结果表明，进行水力压裂卸压后，柔模人工墙承受顶板最大压应力为21 MPa，降低36.4%；顶底板最大移近量为320 mm，降低46.5%。
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，在此表示衷心的感谢！
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