底分層工作面沿空留巷復(fù)合支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用

李輝峰，孫 鵬，程志斌，季忠偉

（1.潞安化工集團(tuán)有限公司王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治046000；2.山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治046000；3.河南理工大學(xué)河南理工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河南 焦作454003）

近年以來(lái)，采煤工作面回采巷道護(hù)巷多為留煤柱護(hù)巷，且護(hù)巷煤柱寬度設(shè)計(jì)越來(lái)越大，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，即便如此，也不能保證巷道良好的維護(hù)效果。如何增加煤炭資源的采出量已是國(guó)內(nèi)礦井生產(chǎn)過(guò)程中主要解決的問(wèn)題[1-2]。目前礦井開(kāi)采的煤層深度在不斷的增加，隨之而來(lái)的圍巖變形、沖擊地壓及瓦斯災(zāi)害等問(wèn)題日益突出[3-4]。切頂卸壓無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)指超前工作面一定距離靠近回采幫的巷道頂板施工爆破孔，通過(guò)聚能預(yù)裂爆破的手段對(duì)巷道頂板進(jìn)行預(yù)先預(yù)裂并出現(xiàn)切縫，隨工作面的繼續(xù)回采，由于工作面回采動(dòng)壓影響，采空區(qū)側(cè)頂板將會(huì)沿切頂線隨采隨落，阻斷了采空區(qū)頂板與巷道頂板之間的應(yīng)力傳遞路徑，起到卸壓的效果[5-6]。該技術(shù)具有使煤礦巷道掘進(jìn)量降低、工作面接替時(shí)間縮短、煤礦開(kāi)采時(shí)間延長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，也是避免煤礦災(zāi)害事故的有效手段[7-8]。基于沿空留巷技術(shù)，大量的專家學(xué)者進(jìn)行了科研工作面，并取得不錯(cuò)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果。何滿潮院士[9-11]基于切頂短壁梁理論，提出切頂卸壓無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)（即“110”工法），并研發(fā)出恒阻大錨索用以加強(qiáng)巷道頂板結(jié)構(gòu)，目前已在薄及中厚煤層中廣泛應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果較好。趙慶彪等[12]基于沿空留巷的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出具有強(qiáng)力切頂、高阻、讓壓、可縮協(xié)調(diào)等優(yōu)勢(shì)的特殊“組合支架”，并且滿足留巷不同階段其礦壓顯現(xiàn)特征的要求。曹樹(shù)剛等[13]基于大量的充填沿空留巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，總結(jié)出充填材料和支護(hù)方式的適用條件，具有重要的參考價(jià)值。本文以15032底分層工作面為工程背景，將超前預(yù)裂爆破與密集支護(hù)技術(shù)相結(jié)合，研究在礦壓顯現(xiàn)較明顯的煤層巷道中進(jìn)行切頂沿空留巷，以達(dá)到安全、高效生產(chǎn)，并給出合理的支護(hù)方案和參數(shù)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

河南某礦井15032工作面開(kāi)采二1煤層，煤厚平均2.2 m，傾角平均13°，煤層直接頂為2.9 m厚的人工假項(xiàng)，頂層為上層工作面采空區(qū)，基本頂為4.85 m厚的泥巖，直接底為1.55 m厚的泥巖；基本底為3.19 m厚的砂質(zhì)泥巖，如下頁(yè)圖1所示。

15032面為正在回采工作面，埋藏深度為-323~-388 m，采用走向長(zhǎng)壁綜采工藝。15032運(yùn)輸巷沿煤層頂板掘進(jìn)，下凈寬5.15 m，巷道中線凈高2.6 m，矩形斷面采用“工鋼棚+叉子棚+幫部錨網(wǎng)鎖梁復(fù)合支護(hù)”。遇斷層、陷落柱等頂板破碎、裂隙發(fā)育地段進(jìn)行錨網(wǎng)索或其他形式補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2 切頂卸壓沿空留巷復(fù)合支護(hù)技術(shù)

2.1 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)是超前工作面一定范圍內(nèi)，在計(jì)劃留巷巷道靠近回采側(cè)頂板布置切頂鉆孔，通過(guò)聚能爆破的手段對(duì)其進(jìn)行爆破預(yù)裂并出現(xiàn)切縫，切斷采空區(qū)、巷道上覆關(guān)鍵巖層間的力學(xué)聯(lián)系，使留巷側(cè)上方的頂板形成短懸梁結(jié)構(gòu)，改變留巷側(cè)上方頂板的應(yīng)力分布。隨工作面的繼續(xù)回采，因工作面回采動(dòng)壓的影響，滯后工作面端頭的頂板將會(huì)沿切縫及時(shí)的垮塌，將采空區(qū)填實(shí)，在巷旁擋矸防護(hù)結(jié)構(gòu)與頂板壓力的作用下形成一條穩(wěn)定巷幫，承托采空區(qū)側(cè)上方頂板壓力，促使巖梁傳遞到臨近煤體上的力得以減弱，起到卸壓的效果。

圖1 煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

超前預(yù)裂切縫包含打鉆和爆破，施工范圍為15032運(yùn)輸巷切眼至停采線外15 m。鉆孔位置由于皮帶靠回采幫布置，影響鉆孔施工，因此適當(dāng)開(kāi)孔位置。鉆孔開(kāi)孔位置距回采幫1.2 m，要求所有鉆孔成排成線。如圖2、圖3所示。鉆孔角度鉆孔垂直巷道中線，向上幫傾斜15°，即傾角α=75°

圖2 超前預(yù)裂切縫平面圖

鉆孔深度鉆孔直徑d及間距L鉆孔直徑d=48~50 mm，H根據(jù)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理，目標(biāo)切頂層位為基本頂，即下位關(guān)鍵層，根據(jù)15032工作面綜合柱狀圖及頂板窺視結(jié)果，基本頂為距煤層頂板7.58~12.75 m的砂質(zhì)泥巖，即目標(biāo)切頂高度H0=12.75 m?？山?jīng)如下公式得到鉆孔深度H。

式中：H0為目標(biāo)切頂高度，12.75 m；α為鉆孔傾角，75°；σ為煤層傾角，13°；c為鉆孔超過(guò)目標(biāo)切頂高度厚度，取0.1 m。經(jīng)計(jì)算得到鉆孔深度H為14.5 m。

采用礦用乳化炸藥，直徑35 mm，長(zhǎng)度200 mm，質(zhì)量200 g。安裝規(guī)定，深孔爆破時(shí)封孔長(zhǎng)度不能小于爆破孔深度的三分之一。鉆孔深度14.5 m，為減小爆破對(duì)頂板巖層的破壞，考慮頂板正上方范圍內(nèi)5.5 m鉆孔不裝藥，因此裝藥段9 m，封孔段4.5 m，滿足規(guī)程要求。線裝藥密度400 g/m，9 m裝藥段裝藥量3.6 kg，為18卷炸藥。采用煤用毫秒延期電雷管。裝藥及封孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 裝藥及封孔結(jié)構(gòu)示意圖

采用PE半管（雙抗，阻燃抗靜電）裝藥送入鉆孔，PE半管內(nèi)徑32 mm、外徑36 mm，每節(jié)長(zhǎng)度2 m，每孔4.5節(jié)，PE半管之間采用2個(gè)自鎖螺絲將上下2節(jié)PE半管端部搭接，搭接長(zhǎng)度10 cm；自上而下每部分藥卷數(shù)量為7、5、4、2卷，每部分2發(fā)電雷管起爆；封孔長(zhǎng)度4.5 m，黃土炮泥進(jìn)行封孔；所有裝藥均為正向裝藥，電雷管采用并聯(lián)的方式進(jìn)行連接，孔間串聯(lián)連接；每次起爆5~15個(gè)炮孔，且采用相同段別的電雷管。鉆孔間距500 mm。

2.3 沿空留巷復(fù)合支護(hù)方案

2.3.1 頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

沿空留巷先后經(jīng)歷掘進(jìn)動(dòng)壓、超前支承壓力、端頭壓力、周期來(lái)壓動(dòng)壓和圍巖靜壓影響，之后服務(wù)與下一個(gè)工作面，與常規(guī)巷道相比，沿空留巷服務(wù)年限更長(zhǎng)，因此必須對(duì)留巷加強(qiáng)支護(hù)。在15032運(yùn)輸巷每50 m進(jìn)行一次頂板窺視，根據(jù)窺視結(jié)果制定有針對(duì)性的頂板支護(hù)參數(shù)。若遇頂板破碎，可采取頂板注漿的方式加固頂板，注漿后采用錨索對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)[14]，為防止爆破對(duì)補(bǔ)強(qiáng)錨索的影響，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)應(yīng)在爆破后，工作面推進(jìn)過(guò)來(lái)之前施工，施工范圍與爆破范圍相同。錨索規(guī)格Φ18.9 mm×9 300 mm高預(yù)應(yīng)力錨索，間排距1 000 mm×1 000 mm，每排2根?？拷蠋偷腻^索距爆破鉆孔600 mm，并采用2 m工鋼梁沿巷道中線方向布置，托住頂板工鋼棚。所有錨索垂直頂板布置，錨索錨固力不小于500 kN，預(yù)緊力不小于250 kN。留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)如圖4所示。

圖4 留巷支護(hù)支護(hù)斷面圖

2.3.2 巷旁擋矸防護(hù)

工作面后方沿空留巷船擋研防護(hù)采用“雙層金屬網(wǎng)+鋼絲繩+工鋼梁+錨索梁”方式進(jìn)行擋矸，如圖4所示。具體方案如下：

金屬網(wǎng)采用菱形網(wǎng)，菱形網(wǎng)長(zhǎng)度15 m(或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇)，寬度4 m，在機(jī)頭3架液壓支架上提前上網(wǎng)，拉架后菱形網(wǎng)進(jìn)入采空區(qū)，隨項(xiàng)板垮落向采空區(qū)幫滑落。金屬網(wǎng)間及其與頂板網(wǎng)間相互搭接要大于0.2 m。

鋼絲繩在機(jī)頭10架(15 m)液壓支架上鋪設(shè)廢舊鋼絲繩，鋼絲繩固定在網(wǎng)上間距600 mm，鋼絲繩一頭固定在工鋼梁頭。

工鋼梁工作面回采前將回采幫工鋼棚柱腿拆除，頂梁及實(shí)體煤幫工鋼棚保留，待工作面回采后將拆除的工鋼棚柱腿復(fù)位。

錨索梁為防止采空區(qū)幫工鋼梁受采空區(qū)壓力向留巷內(nèi)變形、增加。

2.3.3 滯后臨時(shí)支護(hù)

滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)內(nèi)留巷受礦壓顯現(xiàn)的影響會(huì)出現(xiàn)圍巖應(yīng)力增高、巷道變形等情況。根據(jù)以往現(xiàn)場(chǎng)沿空留巷實(shí)施情況，暫定15032工作面滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)長(zhǎng)度為150 m，具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果確定。在工作面后方150 m臨時(shí)支護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，如圖4所示。采用“單體柱+π型梁(或鉸接梁)+鐵地梁”組成叉子棚支護(hù)頂板。單體柱和π型梁(鉸接梁)沿巷道中線布置，共布置4排，靠近采空區(qū)的為第1排；靠近煤幫的為第4排，單體柱間距大于1 m，第1排靠近頂梁采空區(qū)端頭200 mm，排距800 mm；鐵地梁采用工鋼梁，垂直巷道中線布置，每根單體柱下方布置兩根鐵地梁保證穩(wěn)定。

3 留巷效果分析

15032工作面采用切頂卸壓沿空留巷開(kāi)采技術(shù)后，為全面掌握留巷段圍巖變形情況，對(duì)留巷段巷道表面位移變形、單體柱抬棚受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便制定改進(jìn)措施對(duì)后期沿空留巷起到指導(dǎo)作用。

截止到留巷段120 m，巷道整體變形量如圖5所示，兩幫移近量總共339 mm，其中煤柱幫移近量128 mm，采空區(qū)側(cè)幫移近量211 mm；頂?shù)装逡平靠偣?16 mm，其中頂板下沉量113 mm，底鼓量103 mm。單體柱荷載變化如圖6所示初始值最小值約為16.5 MPa，最大值為29.6 MPa，壓力隨時(shí)間的延長(zhǎng)趨于穩(wěn)定。

圖5 巷道圍巖變化曲線

圖6 單體壓力變化曲線

4 結(jié)論

1）采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，對(duì)15032運(yùn)輸巷進(jìn)行超前預(yù)裂切縫，留作15072工作面回風(fēng)巷，支護(hù)形式為：頂板、實(shí)體煤柱采用“錨索梁”補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；采空區(qū)采用“雙層金屬網(wǎng)+鋼絲繩+工鋼梁+錨索梁”組合支護(hù)；留巷初期，其頂?shù)装遄冃瘟繛?16 mm，兩幫變形量為339 mm，變形不影響正常生產(chǎn)，留巷整體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，巷道成型效果較好，達(dá)到了預(yù)期效果。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果表明，在采用復(fù)合支護(hù)手段的頂板切頂卸壓效果良好，留巷圍巖可較好的保持穩(wěn)定。該礦采掘接替緊張、巷道維護(hù)困難的難題得以解決，符合礦井安全高效生產(chǎn)的要求，并增加了其生產(chǎn)效率。