常興煤業(yè)厚層軟頂預(yù)裂充填沿空留巷技術(shù)研究

張家榮

（常興煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041207）

至2030 年我國的煤炭需求量在38 億t，雖然其他化石能源和可再生能源開采技術(shù)取得了明顯的進(jìn)步，但是在很長的一段時間內(nèi)，煤炭的主體消費(fèi)能源地位不會動搖。為適應(yīng)新時代特征，煤炭行業(yè)正向高效、節(jié)約、安全的發(fā)展道路轉(zhuǎn)變，由過去的粗放開采到現(xiàn)在的科學(xué)采礦[1-2]。近年來，無煤柱護(hù)巷理念得到越來越多專家學(xué)者的認(rèn)可，無煤柱護(hù)巷具有減少巷道開掘工程量、緩解工作面接續(xù)緊張、改善工作面通風(fēng)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國大中小礦井[3-5]。

1 概況

常興煤業(yè)5#煤層某工作面含0～1 層夾矸，煤層賦存平緩，煤層傾角平均3°，煤層上覆15 m 厚的軟弱巖層。該部分巖層由巖性軟弱的泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖等多種巖層構(gòu)成，各巖層厚度在1.0～3.0 m左右，如表1。試驗(yàn)巷道為該工作面回風(fēng)順槽，開掘斷面為矩形斷面，斷面尺寸為4.2 m×2.4 m（寬×高），支護(hù)方式采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。其中，錨桿直徑18 mm，長度1.8 m，間排距0.7 m×0.7 m，錨索直徑17.8 mm，長度8.5 m，間排距1.5 m×1.4 m。

2 試驗(yàn)巷道變形破壞特征

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)巷道變形破壞嚴(yán)重，圖1為巷道變形破壞實(shí)拍圖。如圖所示，巷道局部出現(xiàn)煤幫破碎、鼓出和頂板鼓包破碎現(xiàn)象，這主要是由于采動影響和軟巖破碎膨脹相互作用下，巷道軟弱頂板巖層裂隙發(fā)育明顯，造成局部錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，從而導(dǎo)致頂板區(qū)域性垮落，靠近巷幫的煤體縱向約束力降低，而較遠(yuǎn)的煤體縱向約束力增加，擠壓幫部煤體，從而誘發(fā)巷幫大變形。

表1 工作面巖層情況

圖1 巷道變形破壞實(shí)拍圖

3 預(yù)裂充填沿空留巷穩(wěn)定控制機(jī)理

開采煤層上覆層厚較大的軟巖頂板，由于沒有穩(wěn)定巖層承載，受采動影響，頂板巖層持續(xù)劇烈回轉(zhuǎn)破斷，造成沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)劇烈擾動，頂板巖層已發(fā)生整體離層，誘發(fā)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。圖2為厚層軟頂預(yù)裂充填沿空留巷結(jié)構(gòu)示意圖。采用預(yù)裂切頂?shù)姆椒▽︵徑煽諈^(qū)頂板巖層進(jìn)行切落，切斷巷道厚層軟頂與巷道頂板的聯(lián)系，縮短巷道側(cè)向頂板懸露長度，減小采空區(qū)頂板破斷垮落時間，從而降低沿空留巷受到的采動影響，同時利用厚層軟頂?shù)乃槊浶阅艹涮畈煽諈^(qū)，并對上覆巖層起到一定的承載作用，實(shí)現(xiàn)預(yù)裂充填留巷。

4 頂板預(yù)裂充填沿空留巷技術(shù)

4.1 頂板預(yù)裂充填技術(shù)

沿工作面區(qū)段巷道向工作面方向的頂板超前15 m 范圍內(nèi)施工預(yù)裂鉆孔，鉆孔直徑為50 mm，長度為10.0 m，鉆孔間距為2.0 m。鉆孔內(nèi)采用不耦合裝藥方式，炸藥采用煤礦許用乳膠炸藥，藥卷外徑35 mm，采用安全電雷管引爆，炸藥布設(shè)在PVC 管內(nèi)。PVC 管內(nèi)徑36 mm，壁厚2 mm，設(shè)計兩段，每段2.3 m，管壁上設(shè)置對穿鉆孔用于提高裂縫效果。對穿鉆孔規(guī)格：孔徑5 mm，間距30 mm，封孔長度5.2 m，如圖3 所示。

圖2 厚層軟頂預(yù)裂充填沿空留巷結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 沿空留巷支護(hù)技術(shù)

圖4 為沿空留巷支護(hù)參數(shù)與現(xiàn)場單體支護(hù)圖。其中，a 為超前頂板支護(hù)平面圖，b 為滯后工作面單體支護(hù)加強(qiáng)支護(hù)現(xiàn)場。

超前工作面范圍內(nèi)巷道采用錨梁主動支護(hù)。錨索直徑為17.8 mm，長度為8.5 m，錨索沿距回采面煤壁0.5 m 處施工，排距1.2 m。梁采用礦用工字鋼加工制作，工字鋼規(guī)格11#，長3.0 m。每3 根錨索配套1 根工字鋼，每根錨索配套專用鎖具、墊圈和高強(qiáng)托盤，托盤規(guī)格0.3 m×0.3 m×0.16 m。每根錨索配套2 支MSZ2360（外側(cè)）和1 支MSK2335（內(nèi)側(cè)）樹脂錨固劑。錨索鉆孔深度8.2 m，外露長度小于0.3 m，保證錨索錨固長度不低于1.5 m。

滯后工作面30 m 范圍內(nèi)采用單體液壓支柱進(jìn)行頂板加強(qiáng)支護(hù)，單體液壓支柱規(guī)格DW28-250/100，距采空區(qū)幫0.5 m 安裝，柱距1.0 m。采用鋼梁配套塑料網(wǎng)進(jìn)行采空側(cè)矸石幫護(hù)巷，塑料網(wǎng)網(wǎng)徑50 mm，規(guī)格1.5 m×1.2 m，網(wǎng)片搭接長度不低于0.1 m，兩幫噴射0.2 m 厚的混凝土噴層用于防漏風(fēng)。

圖4 沿空留巷支護(hù)參數(shù)與現(xiàn)場單體支護(hù)圖

5 巷道圍巖變形監(jiān)測

采用頂板預(yù)裂充填沿空留巷技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，用十字測試法監(jiān)測了留巷過程中巷道圍巖變形情況，圖5（a）和（b）分別給出了巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃吻€圖。如圖所示，巷道變形主要發(fā)生在滯后工作面10～15 m 范圍內(nèi)，頂?shù)装遄冃瘟吭?0～110 mm，兩幫變形量在170～210 mm；滯后工作面15～40 m 范圍內(nèi)，變形速度減小，此時巷道頂?shù)装遄冃瘟考s為170～215 mm，兩幫變形量約為340～355 mm；滯后工作面40 m 后變形逐漸趨于穩(wěn)定。現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)巷幫噴層結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，進(jìn)一步表明了頂板預(yù)裂充填沿空留巷技術(shù)合理性和可靠性。同時從監(jiān)測結(jié)果可以看出，采用頂板預(yù)裂充填沿空留巷技術(shù)后，其采動影響范圍大大降低。

圖5 巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃吻€圖

6 結(jié)論

（1）開采煤層上覆層厚較大的軟弱頂板巖層，由于沒有穩(wěn)定巖層承載，受采動影響，頂板巖層持續(xù)劇烈回轉(zhuǎn)破斷，造成沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)劇烈擾動，頂板巖層易發(fā)生整體離層，誘發(fā)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

（2）為解決軟弱頂板巖層沿空留巷技術(shù)難題，分析了預(yù)裂充填沿空留巷穩(wěn)定控制機(jī)理，提出了厚層軟頂預(yù)裂充填沿空留巷技術(shù)。該技術(shù)可縮短巷道側(cè)向頂板懸露長度，減小采空區(qū)頂板破斷垮落時間，降低沿空留巷受到的采動影響，從而實(shí)現(xiàn)沿空留巷的穩(wěn)定控制。