鹿臺(tái)山礦切頂卸壓沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

張軍鵬，李旭鋒

（1.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)鹿臺(tái)山煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城048200；2.山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治046000）

沿空留巷技術(shù)是礦井無(wú)煤柱開(kāi)采中較為廣泛的技術(shù)之一，具有資源回收率高、采掘接替緊張問(wèn)題得以緩解、礦井服務(wù)年限得以增加、解決工作面上隅角瓦斯超限問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)[1,2]，還可防止由于煤柱應(yīng)力集中而出現(xiàn)的安全問(wèn)題[3]，是國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)安全高效開(kāi)采的重要途徑。以往沿空留巷主要是通過(guò)在采空區(qū)側(cè)進(jìn)行充填的方法進(jìn)行留巷，并且國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在該領(lǐng)域內(nèi)作了大量的研究工作。李化敏[4]基于充填沿空留巷的研究背景，建立了其充填體的支護(hù)阻力、變形量力學(xué)模型。唐建新等[5]基于充填沿空留巷的背景，提出在采空區(qū)側(cè)采用混凝土充填、巷內(nèi)采用錨網(wǎng)索、采空區(qū)側(cè)采用錨索加固等手段進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，并得到頂板離層的臨界值?？导t普等[6]基于埋深較大情況下的沿空留巷，提出適合該條件下的支護(hù)原則。盧小雨等[7]根據(jù)支架-圍巖力學(xué)關(guān)系原理，對(duì)留巷頂板下沉問(wèn)題進(jìn)行了分析研究。孫曉明等[8]基于薄煤層地質(zhì)條件下的切頂卸壓沿空留巷，研究了切頂高度、爆破方式、留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等關(guān)鍵參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。以上研究成果豐富和發(fā)展了沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的理論。但切頂卸壓沿空留巷的關(guān)鍵是通過(guò)爆破的手段將留巷與采空區(qū)頂板進(jìn)行預(yù)裂切縫，采空區(qū)頂板因自重及時(shí)垮塌，因此沿空留巷圍巖控制的關(guān)鍵則是確保其安全可靠。

以鹿臺(tái)山礦2202工作面為研究背景，對(duì)切頂卸壓沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)作了研究分析，結(jié)合其工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)合理的切頂、支護(hù)參數(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)作了試驗(yàn)，對(duì)同類(lèi)條件下礦井實(shí)施切頂卸壓沿空留巷中提供技術(shù)參考。

1 地質(zhì)概況

2202工作面開(kāi)采2號(hào)煤層，煤層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，煤厚平均2.2 m，煤層傾角平均5°，其自燃傾向性為Ⅲ級(jí)，且不易自然；煤塵沒(méi)有爆炸性。煤層總體分布呈現(xiàn)出單斜構(gòu)造，局部范圍發(fā)育存在次一級(jí)的向、背斜構(gòu)造。該工作面北邊煤層為全煤，南邊煤層距底板約1.6 m處含有0.1~0.3 m厚的黑色泥巖夾矸?；卷敒榫嗝簩?0~14.1 m厚的細(xì)粒砂巖，巖性較為堅(jiān)硬且不易冒落。煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2202軌道巷長(zhǎng)1 302 m，皮帶巷長(zhǎng)1 287 m，工作面長(zhǎng)159.6 m，工作面為矩形布置，軌道巷可采1 245 m，皮帶巷可采1 230 m，平均可采1 237.5 m，工作面布置如下頁(yè)圖1所示。采用傾斜長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化開(kāi)采、全部垮落法對(duì)頂板進(jìn)行處理，2202軌道巷采用沿空留巷技術(shù)，將其保留下來(lái)當(dāng)作2203皮帶巷，工作面回采期間，被保留下的2202軌道巷（2203皮帶巷）承擔(dān)2202工作面回風(fēng)用途。

圖1 工作面布置示意圖

2 切頂卸壓沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)基于“砌體梁”理論，在采煤工作面超前一定范圍內(nèi)，在巷道靠近回采幫側(cè)的頂板利用爆破的手段對(duì)頂板作定向預(yù)裂處理[9-11]，在巷道、采空區(qū)頂板交界處出現(xiàn)預(yù)裂切縫，可以將其之間的力學(xué)聯(lián)系阻斷；根據(jù)圍巖壓力與巖石碎脹性的原理，采空側(cè)上方基本巖層將會(huì)隨工作面的向前推進(jìn)而及時(shí)垮塌、冒落，在巷旁擋矸防護(hù)體系的作用下自動(dòng)成幫[12-14]，將回采巷道予以保留。

2.1 切頂留巷工藝

根據(jù)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理，提出以下其技術(shù)工藝：在工作面超前巷道內(nèi)靠近回采幫的頂板施工切頂鉆孔，并進(jìn)進(jìn)行預(yù)裂爆破，將會(huì)在預(yù)設(shè)方向上出現(xiàn)切縫，即為圖2中的切頂線；同時(shí)在巷道內(nèi)采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索作補(bǔ)強(qiáng)，保證留巷時(shí)其圍巖的穩(wěn)定可靠，達(dá)到強(qiáng)幫固頂?shù)男Ч?；工作面推過(guò)后，緊隨工作面端頭支架沿著預(yù)裂位置架設(shè)擋矸防護(hù)設(shè)備，并利用垛式支架或單體柱配合π型梁臨時(shí)支撐頂板，隨工作面繼續(xù)推進(jìn)采空區(qū)頂板沿切頂線及時(shí)的垮塌，且自動(dòng)形成碎石幫[15]；采空區(qū)內(nèi)頂板充分垮落且壓實(shí)后，留巷圍巖結(jié)構(gòu)將趨于穩(wěn)定狀態(tài)，隨后逐步對(duì)巷內(nèi)的單體支護(hù)取消或支護(hù)密度減小，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)留巷狀況在碎石幫側(cè)作噴漿或在架設(shè)擋矸設(shè)備時(shí)加上擋風(fēng)布處理，起到隔絕采空區(qū)的作用；完成留巷后，可作為臨近工作面回采巷道使用。其技術(shù)工藝流程如圖2所示。

2.2 切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)

切頂卸壓參數(shù)的合理選取是保證沿空巷道是否保留下來(lái)。超前預(yù)裂切縫是在工作面超前巷道內(nèi)利用爆破手段將巷道與采空區(qū)上方基本巖層之間形成預(yù)裂切縫，切斷其基本巖層間的物理力學(xué)聯(lián)系，能夠減弱采空區(qū)側(cè)基本巖層垮落對(duì)留巷產(chǎn)生的不良影響，并且還能夠使采空區(qū)側(cè)頂板及時(shí)的垮落形成碎石幫，如圖2-4所示。預(yù)裂爆破技術(shù)即通過(guò)相鄰炮眼爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波相互干擾作用和爆生氣體高壓靜力作用使相鄰炮眼中心連線產(chǎn)生裂縫，從而實(shí)現(xiàn)被爆破巖體預(yù)裂切縫。

圖2 切頂沿空留巷工藝流程

超前預(yù)裂切縫其主要包括：預(yù)裂爆破鉆孔施工；鉆孔裝藥封孔及連線；鉆孔預(yù)裂爆破。通常在巷道掘進(jìn)形成之后就可以施工，最遲應(yīng)超前工作面前方30 m，既要避開(kāi)工作面超前壓力的影響，也要避免影響工作面正常生產(chǎn)。

2.2.1 爆破鉆孔參數(shù)

根據(jù)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)工藝，結(jié)合鹿臺(tái)山2202工作面運(yùn)巷實(shí)際地質(zhì)狀況，確定切頂孔距回采幫0.2 m；鉆孔傾角α、β分別是巷道正視圖中鉆孔與水平方向的夾角、巷道中線剖面圖中鉆孔與水平方向的夾角，分別為90°、70°，鉆孔需要向工作面后方傾斜；鉆孔直徑和間距均為0.5 m，采用50 mm的鉆頭和Φ42 mm的鉆桿。

對(duì)留巷造成不利因素的關(guān)鍵是工作面推過(guò)后其端部所出現(xiàn)的“弧形三角板”和采空區(qū)、巷道上部頂板所殘留的邊界，并且均在煤層上方的基本頂細(xì)粒砂巖內(nèi)，所以切頂高度為細(xì)粒砂巖上邊界，因此切頂高度為14.8 m。爆破鉆孔參數(shù)須結(jié)合工作面實(shí)際情況確定，并保證采用預(yù)裂爆破能夠?qū)⒐ぷ髅嫔喜康闹辛Ｉ皫r完全切斷，減弱頂板因垮落時(shí)產(chǎn)生的劇烈活動(dòng)對(duì)沿空留巷造成不利影響，因此得到預(yù)裂切縫鉆孔深度為15.8 m。

2.2.2 鉆孔裝藥及封孔結(jié)構(gòu)

為保證將巷道頂板沿走向方向切落，采用預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行，影響預(yù)裂效果的關(guān)鍵是切縫寬度、裝藥密度和不耦合系數(shù)及炮孔填塞的程度等。2202運(yùn)輸巷預(yù)裂爆破鉆孔直徑50 mm，礦用三級(jí)乳化炸藥直徑為32 mm，不耦合系數(shù)取1.6。

按照相關(guān)規(guī)定，深孔爆破時(shí)封孔長(zhǎng)度不能小于爆破鉆孔深度的三分之一。鉆孔內(nèi)裝藥分三部分，具體炸藥量見(jiàn)圖3，炸藥需要采用PE半管將其送入。采用瞬發(fā)電雷管對(duì)炸藥進(jìn)行引爆，正向裝藥；每組炸藥2個(gè)電雷管，并聯(lián)布置。裝藥時(shí)需要將雷管插入炸藥中，并用膠帶將其綁在半管上后放入孔內(nèi)。封孔段為水泡泥段、空氣柱段和炮泥段。鉆孔裝藥及封孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)及封孔結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

在進(jìn)行超前切頂爆破后，巷道頂板由于爆破應(yīng)力波的擾動(dòng)，原支護(hù)體系面臨失效的可能，屆時(shí)將會(huì)發(fā)生頂板下沉或離層，為抑制該問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)原支護(hù)體系的強(qiáng)度，即補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。在巷道頂板超前切頂爆破后，在頂板施工預(yù)應(yīng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，在切縫附近布置抬棚等補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)備，主要作用是：組合加固頂板，強(qiáng)化頂板厚短懸臂梁的結(jié)構(gòu)，提升頂板整體的強(qiáng)度；減少頂板下沉量，確保巷道斷面滿足工作面安全生產(chǎn)的要求。

頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)其主要包括：檢驗(yàn)錨桿錨索支護(hù)強(qiáng)度，對(duì)不合格的錨桿（錨索）補(bǔ)打；頂板補(bǔ)打高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)應(yīng)緊跟頂板爆破，最遲應(yīng)超前工作面30 m內(nèi)進(jìn)行。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和該運(yùn)巷頂?shù)装鍡l件，利用錨索補(bǔ)強(qiáng)、巷內(nèi)單體柱抬棚的主被動(dòng)聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的方式。

2.3.1 錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

在該運(yùn)巷原支護(hù)體系上補(bǔ)打高強(qiáng)錨索，其錨固端錨入中粒砂巖不小于2/3，確保其錨固效果。主動(dòng)支護(hù)采用直徑21.6 mm、長(zhǎng)度13.3 m的補(bǔ)強(qiáng)錨索，垂直巷道頂板布置1根錨索，排距為1.0 m，距回采幫0.7 m；每根錨索用5支樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固（上方用2支CK2335型、下方用3支Z2360型）；被動(dòng)支護(hù)采用走向單體柱配合π型梁，且支柱均穿“鐵鞋”，初撐力要大于100 kN，如圖4所示。

圖4 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖（mm）

2.3.2 巷幫擋矸防護(hù)

工作面回采后其后方采空區(qū)上方基本巖層的垮塌，造成工作面的周期性來(lái)壓。采空區(qū)內(nèi)的矸石將會(huì)竄入留巷內(nèi)，不能滿足安全生產(chǎn)要求，所以需在留巷采空區(qū)側(cè)布置擋矸防護(hù)設(shè)備。根據(jù)該礦實(shí)際地質(zhì)條件，在工作面端頭支架后方架設(shè)可伸縮U型鋼、雙層金屬網(wǎng)、木板背幫等擋矸防護(hù)設(shè)備，可以阻斷采空區(qū)內(nèi)的矸石竄進(jìn)巷內(nèi)的路徑，起到抑制碎石幫變形的作用。

具體擋矸防護(hù)情況：擋矸金屬網(wǎng)長(zhǎng)3.0 m、寬1.1 m且互相搭接；采用2根長(zhǎng)度1.8 m的可伸縮U型鋼，互相搭接長(zhǎng)度要大于0.5 m，并用2套U型卡連接，間距為0.5 m；在碎石幫與U鋼接觸不充分的位置運(yùn)用木板背幫。工作面推過(guò)后，緊隨其端頭支架后部先搭接金屬網(wǎng)、后布置可伸縮U型鋼，均在切頂線靠近巷內(nèi)側(cè)布置。為有效抑制幫部壓力對(duì)U型鋼造成的不利影響，通過(guò)Ф20 mm×2 400 mm左旋無(wú)縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿將其固定在頂板，錨桿排距0.5 m；并采用支撐桿連接U型鋼，提高其整體穩(wěn)定性。滯后工作面200 m后留巷碎石幫與U型鋼接觸不充分位置，利用木板背幫。并保證金屬網(wǎng)之間、及其與頂板網(wǎng)之間相互搭接，U型鋼下扎大于0.1 m。擋矸防護(hù)示意如圖5所示。

圖5 巷幫擋矸防護(hù)斷面圖（mm）

2.3.3 滯后臨時(shí)支護(hù)

工作面后方范圍內(nèi)巷道受動(dòng)壓影響明顯，壓力較大，容易出現(xiàn)頂板下沉、兩幫變形增大等情況。滯后臨時(shí)支護(hù)即在工作面后方礦山壓力動(dòng)壓影響區(qū)（滯后工作面200 m內(nèi)），采用單體液壓支柱抬棚、液壓抬棚、液壓支架、“#”型木垛等被動(dòng)支護(hù)手段配合密集單體柱支撐頂板，如圖6所示。滯后臨時(shí)支護(hù)采用單體液壓支柱配合π型梁或工鋼梁臨時(shí)支撐頂板，減弱采空區(qū)上方關(guān)鍵巖層的運(yùn)動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)對(duì)巷道的影響，抑制頂板下沉，使滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)內(nèi)的巷道平穩(wěn)進(jìn)入成巷穩(wěn)定區(qū)。滯后臨時(shí)支護(hù)緊隨工作面端頭支架后方布置，與采空區(qū)擋矸防護(hù)同時(shí)實(shí)施。滯后臨時(shí)支護(hù)與可伸縮U型鋼間隔布置，且單體支柱均“穿鐵鞋”，初撐力大于100 kN，具體支護(hù)參數(shù)如圖6所示。

圖6 滯后臨時(shí)支護(hù)斷面圖

3 應(yīng)用效果分析

基于切頂留巷技術(shù)要求，確定在2202軌道巷內(nèi)進(jìn)行巷道變形、錨索受力等監(jiān)測(cè)，間隔50 m布設(shè)一個(gè)測(cè)站。

3.1 留巷變形分析

采用“十字布點(diǎn)法”對(duì)留巷變形狀況進(jìn)行觀測(cè)，經(jīng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得知，頂板下沉量最大98 mm，底鼓量最大102 mm，實(shí)體煤幫變形最大134 mm，采空區(qū)幫變形最大108 mm。

圖7 4號(hào)測(cè)點(diǎn)變形曲線

從數(shù)據(jù)分析可知，開(kāi)始留巷后，因采動(dòng)壓力和周期來(lái)壓的作用，留巷變形速率較大，屬于動(dòng)壓劇烈影響區(qū)A，位于工作面后方約60 m內(nèi)；隨留巷長(zhǎng)度增加，受采動(dòng)影響較小，滯后工作面60 m后其變形速率已變緩，屬于動(dòng)壓緩慢影響區(qū)B，位于工作面后方約60~120 m內(nèi)；隨著留巷長(zhǎng)度進(jìn)一步增大，留巷受動(dòng)壓影響特別小，滯后工作面120 m后，留巷變形已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，即為留巷一次穩(wěn)定區(qū)C，位于動(dòng)壓緩慢影響區(qū)之后，此時(shí)可回撤臨時(shí)支護(hù)；逐步取消臨時(shí)支護(hù)，造成應(yīng)力的再次分布，引起留巷圍巖微弱變化，留巷有所變形，即為回撤影響區(qū)D，位于留巷開(kāi)始回撤臨時(shí)支護(hù)地點(diǎn)附近；留巷再次穩(wěn)定后，臨時(shí)支護(hù)已基本取消，圍巖活動(dòng)也已穩(wěn)定，留巷完成，即為成巷穩(wěn)定區(qū)E，位于回撤影響區(qū)后方。

3.2 頂板錨索受力分析

基于補(bǔ)強(qiáng)錨索受力觀測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，錨索安裝時(shí)載荷為286 kN，錨索距工作面20 m時(shí)因工作面超前壓力的影響其受力緩慢增大；在工作面推過(guò)錨索位置時(shí)則迅速增大，其受力載荷為322 kN。隨工作面繼續(xù)開(kāi)采，錨索與工作面的距離逐漸增加，回采動(dòng)壓或周期來(lái)壓對(duì)錨索的受力也逐漸變小，其受力也將趨于穩(wěn)定。錨索受力最大值較初始值增加了36 kN，與錨索破斷力相比仍是較小，說(shuō)明錨索支護(hù)效果較好，能夠控制留巷頂板。

4 結(jié)論

1）提出以“切、補(bǔ)、護(hù)、支”為基礎(chǔ)的切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，即超前工作面一定范圍內(nèi)在巷道頂板進(jìn)行超前預(yù)裂切縫，在原支護(hù)體系上采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索、單體支柱抬棚對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，采用單體柱配合π型梁臨時(shí)支撐頂板，采用金屬網(wǎng)、可伸縮U型鋼、木板背幫對(duì)采空區(qū)幫進(jìn)行擋矸防護(hù)等聯(lián)合支護(hù)措施。

2）在鹿臺(tái)山礦2202工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)果表明，沿空留巷圍巖變形主要表現(xiàn)為非對(duì)稱(chēng)性特征；切頂留巷頂板下沉量98 mm，采空區(qū)幫漲幫變形最大108 mm，實(shí)體煤幫最大變形量134 mm；留巷變形可以滿足安全生產(chǎn)，成巷效果良好。

3）采用切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)后，鹿臺(tái)山礦采掘接替緊張的問(wèn)題得以緩解，留巷頂板下沉、幫部變形得到有效控制，為今后無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用提供技術(shù)借鑒。