Z型工作面切頂留巷支護(hù)技術(shù)研究

張俊滿，張孝榮，呼少平，崔 浩

(陜西澄合百良旭升有限責(zé)任公司，陜西 渭南 715200)

0 引言

近年來，綜放工作面大斷面開切眼一次掘進(jìn)[1]、無煤柱開采、沿空留巷和礦壓控制技術(shù)日漸成熟[2]，尤其是切頂卸壓無煤柱開采的推廣應(yīng)用，使我國煤炭安全高效開采有了新的突破。在沿空留巷工藝上的“Y”型工作面也逐漸向“Z”型工作面演化，兩種布置形式適應(yīng)性略有差別，Z型開采優(yōu)越性更強，不留煤柱，取消了孤島工作面，不僅可以合理開發(fā)煤炭資源，避免浪費煤柱，提高煤炭回收率，增加礦井的可開采年限；還由于少掘進(jìn)一條巷道，緩解了生產(chǎn)接續(xù)矛盾，減少了工作面設(shè)備的搬運和安裝時間。董東煤礦由于巷道和礦壓顯現(xiàn)較大，開采過程中兩順槽變形嚴(yán)重，回采成本高，效率低，嚴(yán)重影響企業(yè)效益，為了徹底解決高礦壓順槽巷道支護(hù)難題，從開采方法與支護(hù)兩方面進(jìn)行研究分析，決定在董東煤礦50107工作面采用Z型切頂沿空留巷工藝。

1 工程概況

董東煤礦50107工作面總體位于向斜構(gòu)造區(qū)，工作面北高南低，西高東低，主采5號煤層，回采煤層傾向變化較大，傾角在3°～6°，煤層底板標(biāo)高+210～+380 m，厚2.6～5.0 m，平均厚3.4 m，屬較穩(wěn)定煤層。煤層基本頂為粉砂巖，厚7.78 m；直接頂為泥巖、粉砂巖、夾細(xì)砂巖條帶，厚0.5～2.9 m；直接底為石英砂巖，厚1.44 m。

2 Z型開采方式及留巷端頭支護(hù)工藝

工作面巷道采用“Z”型布置開采，其中一條巷道隨著工作面向前推進(jìn)，始終保持前進(jìn)式沿空留巷，工作面風(fēng)巷采用前進(jìn)式沿空留巷，在采空區(qū)側(cè)留巷形成，沿空留下的巷道可作為開采下一個工作面的順槽，一巷兩用，節(jié)省掘進(jìn)巷道的費用，避免采掘失調(diào)、接續(xù)緊張，省去工作面的煤柱，提高了資源回收率。工作面巷道“Z”型布置開采技術(shù)需采取前進(jìn)式沿空留巷，一般適用于低瓦斯礦井，地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層不易自燃，煤層厚度不大的采煤工作面[5]。

2.1 工作面布置

針對董東煤礦現(xiàn)場條件，考慮到工作面壓力顯現(xiàn)情況、留巷時間與工作回采時間之間的關(guān)系，以及通風(fēng)、行人等要求，以此為依據(jù)來設(shè)計選擇工作面的合理長度和推進(jìn)長度，適當(dāng)減小巷道有效斷面，有利于巷道維護(hù)和減少材料消耗，達(dá)到優(yōu)化工作面設(shè)計的目的，從而實現(xiàn)效益最大化。50107工作面Z型開采切頂留巷布置如圖1所示。

圖1 Z型開采留巷布置圖

2.2 留巷端頭支護(hù)

回采前采用爆破技術(shù)，對巷道正幫側(cè)頂板采取定向預(yù)裂，縮短順槽側(cè)采空區(qū)頂板懸臂梁長度，待工作面推過后，在礦壓作用下頂板將沿預(yù)裂切縫自動切落形成巷幫，既隔離了采空區(qū)又保持了巷道的完整性，可作為下一個工作面的順槽二次使用。留巷端頭支護(hù)如圖2所示。

Z型開采切頂留巷技術(shù)端頭施工主要工藝流程為：煤機(jī)截割生成巷道→超前臨時支護(hù)→錨網(wǎng)索支護(hù)、施工切頂眼→沿設(shè)計切頂線爆破預(yù)裂切縫→留巷段加強支護(hù)及擋矸→噴漿封閉巷幫。

圖2 留巷端頭支護(hù)圖

3 Z型開采留巷支護(hù)參數(shù)

3.1 巷內(nèi)支護(hù)

巷內(nèi)支護(hù)強度維持順槽留下部分的完整性是沿空留巷成功的基礎(chǔ)，能夠使得回采過后一幫的順槽頂板處于懸臂狀態(tài)，因此，必須采用錨桿支護(hù)，頂板鋼帶具有一定的剛度增強頂部完整性。

頂板錨索采用四四布置，其中3根φ21.8 mm×10 400 mm與2 600 mmT型鋼帶聯(lián)合支護(hù)，間排距為1 200 mm×1 200 mm，沿空巷旁安設(shè)1根φ21.8 mm×10 400 mm巷旁加強錨索，排距為600 mm；錨桿為φ20 mm×3 000 mm無縱肋左旋螺紋鋼，間排距為700 mm×600 mm，Z2360樹脂藥卷，每孔3卷樹脂藥。巷內(nèi)頂板支護(hù)如圖3所示。

圖3 留巷內(nèi)頂板支護(hù)圖

非采煤側(cè)幫部錨桿為φ20 mm×3 000 mm右旋等強螺紋鋼，間排距為700 mm×600 mm，Z2360樹脂藥卷，每孔3卷樹脂藥。巷內(nèi)非采煤側(cè)幫支護(hù)如圖4所示。

圖4 留巷非采煤側(cè)幫支護(hù)圖

3.2 巷外切頂

切頂?shù)淖饔茫涸诓擅孢^后，靠近采空側(cè)的煤壁首先要經(jīng)受比垂直地壓大得多的礦壓顯現(xiàn)[6]。而后，經(jīng)過一個時間和空間的變化，采空區(qū)側(cè)煤體內(nèi)的礦壓變化穩(wěn)定后表現(xiàn)為沿煤體邊緣向內(nèi)的突然上升后逐漸衰減的一個曲線。巷外切頂能夠改變大結(jié)構(gòu)圍巖力學(xué)平衡機(jī)理而及時釋放巷旁支撐體荷載，有利于留巷處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。

巷外切頂工藝：50107工作面Z型開采留巷切頂施工工藝如下，①打眼—切頂眼位置距巷旁加強錨索450 mm處，眼深7 000 mm，設(shè)計切頂線豎面向采空區(qū)傾斜20°，孔徑45 mm，間距500 mm；②裝藥—采用U型φ32mmPVC管，在其底部布置3節(jié)藥卷，相距3 m處再打孔布置2節(jié)藥卷，用膠帶固定炸藥及管線，然后將管送入至切頂眼內(nèi)，孔口封堵1 m長度封泥；③爆破—經(jīng)檢驗合格后方可進(jìn)行爆破切縫，采用不耦合裝藥，串聯(lián)連線正向爆破，每次爆破數(shù)量6～10個。

3.3 巷旁擋矸

隨著工作面回采，采場矸石勢能轉(zhuǎn)化為沖擊動能，碎石幫橫向沖擊力和擠壓力均會增大，擋矸結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的抗橫向變形能力[7]，因此巷旁擋矸支護(hù)是切頂留巷成功的關(guān)鍵因素之一。目前，采用預(yù)支撐袋鑄混凝土[8]以及鋼管混凝土柱巷旁支護(hù)[9]等較大強度尺寸的支護(hù)。但在董東煤礦實驗段留巷采空巷旁支護(hù)設(shè)計采用曲線擋矸柱。

采空側(cè)巷旁支護(hù)體系采用曲線擋矸柱+密集單體液壓支柱+鐵絲網(wǎng)(鋼筋網(wǎng))聯(lián)合支護(hù)。①曲線擋矸柱+液壓單體聯(lián)合支護(hù)—采用曲線擋矸柱，由固定段3 000 mm和滑動段800 mm兩部分組成，間距600 mm，搭接部位采用U型卡纜連接固定，具備讓壓滑動性且滑動量程不小于400 mm；②密集液壓單體柱加密支護(hù)—在相鄰曲線擋矸柱間加密布置單體，間距600 mm；③鐵絲網(wǎng)鋪設(shè)—巷內(nèi)和巷外頂網(wǎng)相連，搭接不少于400 mm，側(cè)幫下半段加設(shè)網(wǎng)片采用2 600 mm×900 mm雙層鐵絲網(wǎng)，搭接不少于100 mm，14#鐵絲逢孔必聯(lián)。

巷內(nèi)支護(hù)可以避免巷道頂部圍巖微觀離層向宏觀離層發(fā)展，使得穩(wěn)定拱線末端向采空區(qū)方向彎曲而達(dá)到提升留巷頂板穩(wěn)定性的目的；巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)的及時支撐可以防止巷道頂部圍巖宏觀離層向破壞失穩(wěn)發(fā)展，使得形成新的自穩(wěn)隱形拱而達(dá)到留巷長期穩(wěn)定；巷外切頂能夠改變圍巖力學(xué)平衡機(jī)理而及時釋放巷旁支撐體荷載，有利于留巷處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。

4 試驗效果

4.1 巷道表面位移

對50107工作面Z型開采切頂留巷試驗段，采用十字布點法進(jìn)行表面位移監(jiān)測，選擇了具有代表性的巷道斷面進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，選取的表面位移情況如圖5和圖6所示。

圖5 巷道頂?shù)装迨諗繄D

圖6 巷道兩幫收斂圖

經(jīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，靠近采空區(qū)處頂板下沉量15 cm大于中部頂板處7 cm；煤壁側(cè)幫的移近量大于沿空側(cè)幫；巷道底臌問題仍然突出，但經(jīng)過起底后能滿足工程應(yīng)用。

4.2 現(xiàn)場效果

采空區(qū)頂板大部分沿切頂縫以不同程度大小的塊體切落成巷，并且在回采后15 m范圍內(nèi)塌落矸石基本實現(xiàn)接頂。在工作面推進(jìn)24～30 m范圍，巷道頂板開始旋轉(zhuǎn)，采空側(cè)頂板下沉。巷外切頂、巷旁擋矸以及巷內(nèi)支護(hù)效果如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場效果圖

5 結(jié)論

(1)Z型開采工作面端頭架后截割留巷，支承壓力處于開采后動壓的下降階段，避免留巷前巷道圍巖的松弛塑性變形，減少了巷道掘進(jìn)工程量和維修工程量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

(2)留巷三要素的內(nèi)在關(guān)系為巷內(nèi)支護(hù)是成功的本質(zhì)，巷外支護(hù)是成功的內(nèi)因，巷外切頂是成功的外因。

(3)實驗段采空區(qū)頂板大部分沿切頂縫以不同程度大小的塊體切落成巷，并且在回采后15 m范圍內(nèi)塌落矸石基本實現(xiàn)接頂；靠近采空區(qū)處頂板下沉量15 cm大于中部頂板處7 cm；煤壁側(cè)幫的移近量大于沿空側(cè)幫。