切頂卸壓沿空留巷支護(hù)技術(shù)及礦壓規(guī)律分析

薛 斌，呼少平，雷亞勇

(陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司，陜西 渭南 715200)

0 引言

沿空留巷是國(guó)內(nèi)外煤炭開(kāi)采技術(shù)的重要發(fā)展方向，是降低回采巷道掘進(jìn)率、提高采區(qū)回采率、實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采的主要技術(shù)措施之一。切頂卸壓沿空留巷支護(hù)技術(shù)采用深孔爆破技術(shù)預(yù)裂頂板，利用采場(chǎng)周期來(lái)壓沿空切頂，形成對(duì)上覆老頂巖梁的支撐結(jié)構(gòu)，控制老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)和下沉變形，實(shí)現(xiàn)卸壓作用。切落的頂板形成巷幫，從而保留了工作面下順槽，作為鄰近工作面上順槽，使傳統(tǒng)長(zhǎng)壁開(kāi)采一面雙巷模式變?yōu)橐幻鎲蜗锊删蚰Ｊ剑瑢?shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采。澄合礦業(yè)公司在百良旭升煤礦505綜采工作面停采線以里100 m段，進(jìn)行了切頂卸壓沿空留巷支護(hù)技術(shù)試驗(yàn)，分析改進(jìn)了切頂卸壓沿空留巷支護(hù)技術(shù)方案，總結(jié)出了試驗(yàn)段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 切頂卸壓沿空留巷設(shè)計(jì)方案與實(shí)驗(yàn)

1.1 回采巷道圍巖地質(zhì)條件

百良旭升煤礦505綜采工作面走向長(zhǎng)706 m，傾向長(zhǎng)度142 m，主采5#煤，直接頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度2.85 m，上部為4#煤，厚度1.2～2.4 m，平均1.5 m。4#煤上部為中細(xì)粒砂巖(老頂)，厚度2.0～10.0 m，平均6.0 m。煤層底板為細(xì)至中粒石英砂巖，厚度0.55～2.5 m，平均1.7 m，堅(jiān)硬，老底為粉砂巖，厚度14.71～21.22 m，平均17 m。

1.2 沿空留巷段補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式

505綜采工作面位于一采區(qū)西翼，東為采區(qū)大巷，西為大原頭村煤柱，南北均為待掘工作面，工作面沿走向布置，試驗(yàn)在工作面軌道巷進(jìn)行，原支護(hù)方式為錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道設(shè)計(jì)規(guī)格為4.0 m×3.5 m，頂部布置6根φ20 mm×2 200 mm錨桿，三花布置φ18.9 mm×8 300 mm錨索，兩幫各布置5根φ20 mm×2 200 mm錨桿。

100 m試驗(yàn)段采用補(bǔ)設(shè)錨索、錨桿方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，共打設(shè)補(bǔ)強(qiáng)錨索125根，補(bǔ)強(qiáng)錨桿143根。錨索規(guī)格φ21.8 mm×9 300 mm，間距0.8 m，靠煤壁幫單排打設(shè)。錨桿規(guī)格φ20 mm×2 200 mm；間排距1.4 m×1.4 m，煤柱側(cè)幫打設(shè)，打設(shè)位置在幫部中間，與巷道原支護(hù)呈五花眼布置。

1.3 試驗(yàn)巷道切頂卸壓方案

切頂卸壓預(yù)裂爆破孔參數(shù)：切頂方式采用深孔雙向聚能爆破技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的定向切割，在回采工作面超前50 m以外，在試驗(yàn)段軌道巷施工一排6～7.5 m深鉆孔，孔位距回采幫200 mm，孔徑50 mm，孔間距700 mm，傾角向采空區(qū)傾斜20°，試驗(yàn)段共施工148個(gè)爆破孔。

預(yù)裂爆破參數(shù)：裝藥長(zhǎng)度1 800 mm，采用9節(jié)乳化炸藥，炸藥規(guī)格φ32 mm×200 mm，雷管選用煤礦用毫秒延期電雷管，每孔兩發(fā)，連線方式采用孔內(nèi)并聯(lián)，孔外串聯(lián)，爆破方式五孔為一組一次起爆。定向聚能管使用PVC管材，規(guī)格φ40 mm×4 000 mm，通過(guò)礦用切割機(jī)割寬度8 mm對(duì)縫，實(shí)現(xiàn)定向聚能爆破。

試驗(yàn)段巷道分段進(jìn)行：試驗(yàn)段巷道全長(zhǎng)100 m，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)合理性，將試驗(yàn)段分為3段，每段爆破孔深度及爆破裝藥方式進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，分段布置情況見(jiàn)表1。

1.4 留巷段支護(hù)方案

留巷段支護(hù)采用單體支柱配合π型梁支護(hù)，排距0.6 m，π型梁長(zhǎng)2.4 m，一梁三柱，棚距800 mm。切頂幫采用密集單體、工字鋼支護(hù)，鋼筋網(wǎng)、雙抗網(wǎng)擋矸，待工作面推采過(guò)70 m后，回撤靠切頂幫側(cè)單體，將單體替換為工字鋼，工字鋼排距0.6 m，不回收。

1.5 礦壓監(jiān)測(cè)方案

表面位移觀測(cè)：采用十字布點(diǎn)法，每隔5 m布置一組測(cè)點(diǎn)，每天測(cè)量留巷段頂?shù)装迨諗?、兩幫移近量?/p>

表1 試驗(yàn)段巷道分段布置表

頂板深部位移檢測(cè)：采用KJ216頂板離層監(jiān)測(cè)分站，觀測(cè)頂板離層量。

礦壓監(jiān)測(cè)：使用錨索、錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)計(jì)對(duì)錨索、錨桿工作荷載進(jìn)行觀測(cè)。

1.6 試驗(yàn)過(guò)程

百良旭升煤礦切頂卸壓沿空留巷試驗(yàn)自2016年8月～2016年11月底，期間歷時(shí)4個(gè)月。9月19日前為基礎(chǔ)工程實(shí)施期，期間施工切縫孔148個(gè)并爆破，布設(shè)測(cè)點(diǎn)20組，安裝頂板離層儀9組，錨索、錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)計(jì)9組，9月20日～11月底為試驗(yàn)觀測(cè)期，每天安排專(zhuān)職測(cè)量人員記錄數(shù)據(jù)。

2 切頂卸壓沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 頂?shù)装逡平恳?guī)律分析

根據(jù)沿空留巷巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律的不同，將留巷段頂?shù)装鍘r層活動(dòng)分為3個(gè)時(shí)期，如圖1、表2、表3。

前期活動(dòng)期(超前支承壓力影響)：隨著工作面推采臨近試驗(yàn)地點(diǎn)，留巷段受回采超前支承壓力影響。工作面距離試驗(yàn)地點(diǎn)40 m以外，留巷段頂板基本無(wú)下沉，底鼓量也基本無(wú)變化。工作面距離試驗(yàn)地點(diǎn)40～20 m期間，頂板下沉、底板底鼓產(chǎn)生微小變化。工作面距離試驗(yàn)地點(diǎn)20～10 m期間，變化增強(qiáng)。工作面推采距離試驗(yàn)點(diǎn)10 m以內(nèi)時(shí)，回采超前支承壓力對(duì)留巷段頂板產(chǎn)生劇烈影響，留巷段頂?shù)装遄兓黠@。

表2 頂板下沉量變化分析表

備注：表中負(fù)數(shù)代表工作面推過(guò)試驗(yàn)點(diǎn)距離。

表3 底板底鼓量規(guī)律分析

備注：表中負(fù)數(shù)代表工作面推過(guò)試驗(yàn)點(diǎn)距離。

活動(dòng)過(guò)渡期(工作面傾斜方向殘余支承壓力影響)：工作面推采至試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)，支架向前移動(dòng)，其后方頂板巖層失去支撐，采空區(qū)直接頂垮落，巖層垮落后不足以充滿采空區(qū)時(shí)，老頂上覆巖層的重量通過(guò)直接頂逐漸轉(zhuǎn)移到巷旁煤體深部，使其出現(xiàn)應(yīng)力集中，留巷段頂?shù)装瀹a(chǎn)生劇烈變化。

后期活動(dòng)期(后方采空區(qū)支承壓力影響)：工作面推過(guò)試驗(yàn)點(diǎn)15 m以后，隨著矸石的逐漸壓實(shí)并形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，受采動(dòng)因素的圍巖應(yīng)力重新分布，留巷段頂板受后方采空區(qū)支承壓力影響逐漸減弱，頂?shù)装遄兓呌谄椒€(wěn)，工作面推過(guò)試驗(yàn)點(diǎn)35 m以后，頂?shù)装遄兓呌?。

2.2 兩幫收斂量規(guī)律分析

沿空留巷段兩幫收斂量規(guī)律與頂?shù)装宓V壓顯現(xiàn)規(guī)律相似，工作面距離試驗(yàn)點(diǎn)40 m以外時(shí)，兩幫收斂基本無(wú)變化，工作面從40 m推采至試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)，兩幫收斂量逐漸加劇。工作面推過(guò)試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)，受支架布置方式影響，支架竄入試驗(yàn)巷道1 m左右，緊貼支架擋矸支護(hù)滯后，加之支架后竄矸嚴(yán)重，留巷巷道寬度急劇縮小至2.4 m。受竄矸側(cè)壓影響，工作面推過(guò)試驗(yàn)點(diǎn)60 m后，兩幫收斂才趨于穩(wěn)定，見(jiàn)表4。

表4 兩幫收斂量規(guī)律分析

備注：表中負(fù)數(shù)代表工作面推過(guò)試驗(yàn)點(diǎn)距離，留巷段均為重新布點(diǎn)后煤柱側(cè)單側(cè)收斂量。

2.3 頂板深部位移規(guī)律分析

通過(guò)KJ216頂板離層監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)分析，留巷段頂板深部位移在工作面推采至留巷段時(shí)發(fā)生劇烈變化，下沉量與頂板下沉觀測(cè)數(shù)據(jù)一致。

2.4 巷道錨桿(索)受力規(guī)律分析

錨桿受力分析：幫部錨桿受力出現(xiàn)持續(xù)增大狀態(tài)，峰值數(shù)據(jù)27 MPa(148.5 kN)，切頂后卸壓，最后趨于穩(wěn)定，如圖2所示。

圖2 1號(hào)測(cè)點(diǎn)錨桿受力曲線圖

錨索受力分析：切頂預(yù)裂爆破后，頂部錨索受力減小，隨著工作面推進(jìn)，逐步遞增，工作面推采過(guò)10 m時(shí)，錨索受力27 MPa(148.5 kN)，后數(shù)值突然減小至0，推采過(guò)測(cè)點(diǎn)15 m時(shí)，錨索受力又緩慢增加至2 MPa后穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3 1號(hào)測(cè)點(diǎn)錨索受力曲線圖

3 試驗(yàn)期間遇到的問(wèn)題

3.1 留巷段寬度不足，擋矸效果不理想

工作面推采過(guò)后，由于工作面排尾架布置于軌道巷中央位置，支架后擋矸支護(hù)困難(竄矸嚴(yán)重)，切頂幫側(cè)擋矸單體只能緊貼支架頂梁支設(shè)，拉架后，留巷寬度僅有2.4～2.8 m，與設(shè)計(jì)(4.0 m)相差太遠(yuǎn)；加之工作面傾角較大，機(jī)尾低于機(jī)頭15～20 m，留巷段承受煤層頂板及矸石側(cè)壓大，導(dǎo)致切頂幫側(cè)擋矸支柱從中部彎曲變形較多。

3.2 擋矸工字鋼支護(hù)施工不便

原設(shè)計(jì)中切頂幫采用密集單體、工字鋼支護(hù)，工作面推采過(guò)后，使用工字鋼替換切頂幫單體，由于巷道高度不一，工字鋼點(diǎn)柱規(guī)格需提前量取加工，施工不便，且受側(cè)壓后工字鋼易彎曲變形。

3.3 留巷段頂板出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象

試驗(yàn)段進(jìn)入505工作面超前20 m時(shí)，留巷段頂板出現(xiàn)裂縫，長(zhǎng)度10 m左右，寬度2～3 cm。

4 結(jié)語(yǔ)

澄合礦業(yè)公司百良旭升煤礦505工作面切頂卸壓沿空留巷試驗(yàn)，累計(jì)成巷100 m，經(jīng)歷老頂兩次來(lái)壓，采空區(qū)側(cè)頂板基本沿定向預(yù)裂爆破孔以大塊體切落自動(dòng)成巷，留巷斷面：(寬×高)=2.4 m×2.5 m，試驗(yàn)基本達(dá)到預(yù)期效果。

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)能夠消除臨近工作面煤體上方應(yīng)力集中，減少采掘比，提高生產(chǎn)效率，操作簡(jiǎn)單，成本小，且能實(shí)現(xiàn)煤柱回收，預(yù)防瓦斯突出等，與傳統(tǒng)采煤模式相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。