登茂通礦切頂卸壓沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

＊史虎平

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)安澤登茂通煤業(yè)有限公司 山西 042509）

1.引言

2019年，登茂通礦繼續(xù)推廣應(yīng)用簡(jiǎn)易切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，先后在2106、2105、3111、3110工作面進(jìn)行了應(yīng)用。從留巷效果來(lái)看，巷道狀況不錯(cuò)，完全滿(mǎn)足鄰面回采巷道需要，這種工藝，操作簡(jiǎn)單，成本投入低。通過(guò)四個(gè)工作面的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)留巷內(nèi)十字鉸接梁、護(hù)腿柱、單體柱毀損嚴(yán)重，整個(gè)沿空留巷支護(hù)體系由于十字梁的斷裂，造成了整體支護(hù)強(qiáng)度破壞，增加了更換柱及重復(fù)性支護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度。為了減少材料損壞，提高材料復(fù)用率，對(duì)原沿空留巷支護(hù)進(jìn)行了改進(jìn)，取消了十字鉸接梁，護(hù)腿柱底部尖端設(shè)計(jì)，經(jīng)3111、3110工作面應(yīng)用，沿空留巷200m以后，拖腿柱變形少了，單體柱也減少了折損，礦壓得到了有效控制，對(duì)成本節(jié)支、安全生產(chǎn)有著重大意義。

2.簡(jiǎn)析沿空留巷主要的覆巖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

施工人員結(jié)束開(kāi)采工作面煤層之后，上覆巖層會(huì)出現(xiàn)規(guī)模較大的運(yùn)動(dòng)而且會(huì)造成持續(xù)性的應(yīng)力調(diào)整，由此出現(xiàn)采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)，位于采空區(qū)域邊沿位置的沿空留巷，頂板自然會(huì)在一定程度上受限于采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)。據(jù)相關(guān)研究表明，其具體運(yùn)動(dòng)依據(jù)時(shí)間能夠劃分成三個(gè)階段，分別是前期、過(guò)渡以及后期。這樣一來(lái)回采工作面范圍內(nèi)的煤層結(jié)束后，基于向前移動(dòng)支架，這樣會(huì)直接導(dǎo)致后面的巖層沒(méi)有了以往的支撐，由此一來(lái)采空側(cè)，很容易就此破斷變成進(jìn)入到倒臺(tái)階狀態(tài)，那么頂板便能夠在此時(shí)期內(nèi)遭受到來(lái)自直接頂出現(xiàn)垮落以及其他因素造成的影響，常見(jiàn)于旋轉(zhuǎn)下沉這種變形模式，而在這一階段的整體活動(dòng)過(guò)程也便是所說(shuō)的前期活動(dòng)時(shí)期。如果直接出現(xiàn)完全垮落之后，其基本頂也相繼出現(xiàn)斷裂以及旋轉(zhuǎn)下沉，在下沉中的頂巖塊逐漸形成相對(duì)穩(wěn)定且堅(jiān)實(shí)的砌體梁結(jié)構(gòu)，至于基本頂?shù)母矌r，其自身重量會(huì)依托直接頂逐漸轉(zhuǎn)移至層面的實(shí)體煤，在其深部形成應(yīng)力集中并且獲得基本頂穩(wěn)定保護(hù)的巷道，在相關(guān)范圍內(nèi)位于低應(yīng)力區(qū)，頂板在這一階段的變形依舊是直接頂以及基本頂主要是旋轉(zhuǎn)變形，一方面速度較快，另一方面具有較大的變形，而頂板運(yùn)動(dòng)在這一時(shí)期則屬于過(guò)渡期。煤層在采出之后，上覆巖層通常不是一次性就實(shí)現(xiàn)垮落的，會(huì)依據(jù)自下往上的方式實(shí)現(xiàn)分層以及分組形式的斷裂垮落。因?yàn)樘幵诓煽諈^(qū)域的邊緣，這樣一來(lái)針對(duì)礦壓大小，不僅僅是局限在低位巖層自己的結(jié)構(gòu)特征以及具體的垮落程度，而且在上覆的若干巖層組所發(fā)生的分次垮落，會(huì)在一定程度上針對(duì)側(cè)向頂板出現(xiàn)較大干擾，進(jìn)而影響到這一區(qū)域。在砌體結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定之后，其借助應(yīng)力分流逐漸轉(zhuǎn)移至采空區(qū)矸石上，這樣會(huì)造成煤體以及直接頂出現(xiàn)一定損傷，由于這樣的情況，壓力峰值則會(huì)出現(xiàn)變大，與其同時(shí)會(huì)向著深部區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而發(fā)生平行下沉，這一時(shí)期也便是所謂的后期活動(dòng)期而且變形模式是平行下沉，基于分次發(fā)生的覆巖垮落而呈現(xiàn)出相應(yīng)的波動(dòng)性，一方面這種變形發(fā)生的時(shí)間相對(duì)偏長(zhǎng)，可是速度偏小，另一方面垮落層位伴隨進(jìn)一步的向上發(fā)展，會(huì)降低覆巖垮落針對(duì)圍巖所造成的影響，在垮落至相應(yīng)的高度后趨于穩(wěn)定，通過(guò)需要達(dá)到裂隙帶高度，借助側(cè)向頂板，上覆巖層的具體載荷能夠傳遞到低位巖層，然后在一定的煤體范圍之內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中；受到有效保護(hù)，在一定程度上能夠有效釋放圍巖應(yīng)力讓其能夠比應(yīng)力區(qū)低；而受到上覆載荷影響，能夠讓采空區(qū)域內(nèi)的矸石不斷壓實(shí)，進(jìn)而逐漸恢復(fù)應(yīng)力，所以在橫向采礦場(chǎng)順次構(gòu)建以下應(yīng)力區(qū)：分別是高承載、卸壓以及應(yīng)力恢復(fù)區(qū)。

3.切頂卸壓沿空留巷支護(hù)分析

(1)切頂卸壓的原理

沿空留巷就是采用相應(yīng)的支護(hù)方式將靠近采空區(qū)邊緣的巷道保存下來(lái)，主要優(yōu)點(diǎn)是減少了巷道的掘進(jìn)量，缺點(diǎn)是在實(shí)施過(guò)程中需要考慮很多的因素。通常情況下，沿空巷道會(huì)承受較大的支承壓力變形，這主要是由于采空區(qū)頂板的壓力傳遞到巷道的上方，在巷道周?chē)纬梢粋€(gè)應(yīng)力升高區(qū)[1-2]。為了應(yīng)對(duì)這種情況，專(zhuān)家學(xué)者們采用切頂卸壓技術(shù)。切頂卸壓技術(shù)本質(zhì)上就是采用深孔聚能爆破或切割機(jī)使得巷道的頂板和采空區(qū)的頂板進(jìn)行分離，從而達(dá)到阻斷應(yīng)力傳遞的效果。切落的頂板隨預(yù)定軌跡緩緩下沉，形成巷道的幫部，隔斷了來(lái)自采空區(qū)集聚高應(yīng)力的傳遞，如圖1所示。

圖1 切頂卸壓沿空留巷示意圖

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的發(fā)展得益于深孔聚能爆破技術(shù)和大型頂板切割機(jī)的發(fā)展。隨著這項(xiàng)技術(shù)的日漸成熟，越來(lái)越多的礦井采用來(lái)這種方式來(lái)進(jìn)行無(wú)煤柱開(kāi)采。在切割頂板后，頂板下落自動(dòng)形成巷道，不僅提高了沿空留巷的成功率，還能降低沿空留巷的工程量[3]。值得注意的是，在卸壓后仍需要對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。這是由于沿空巷道受到了重復(fù)采動(dòng)的影響，會(huì)產(chǎn)生較大的變形。

(2)留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

通過(guò)以上分析，切頂卸壓后仍需要對(duì)沿空巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。在對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)，需要考慮到支護(hù)的工程量和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)回采前期巷道的變形程度，可以將巷道分為劇烈變形段和穩(wěn)定變形段。一般地，可以認(rèn)為回采推進(jìn)200m以外是穩(wěn)定變形區(qū)域[4]。為了保證支護(hù)的經(jīng)濟(jì)性和降低支護(hù)的工程量，這里采用了簡(jiǎn)易的支護(hù)。

對(duì)于沿空巷道的劇烈變形段，在工作面端頭支架移架后，將采空側(cè)超前支護(hù)替換為單體柱配頂梁支護(hù)，留巷內(nèi)共布置三排支護(hù)，1.2m鉸接頂梁為“一梁兩柱”支護(hù)，排距0.6m，單體柱穿鐵鞋；1.2m鉸接頂梁與工字鋼護(hù)腿鉸接擋矸，與護(hù)腿柱鉸接的頂梁下單體柱穿復(fù)合鐵鞋，如圖2所示。

圖2 變形劇烈區(qū)巷道支護(hù)示意圖

對(duì)于沿空變形穩(wěn)定區(qū)，在進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)，撤去巷內(nèi)實(shí)體煤幫側(cè)一排單體柱，剩余兩排單體柱+一根工字鋼護(hù)腿支護(hù)，如圖3所示。

圖3 變形劇烈區(qū)巷道支護(hù)示意圖

這種支護(hù)的主要特點(diǎn)是取消了原十字鉸接梁，工字鋼護(hù)腿底端設(shè)計(jì)為尖端。頂板來(lái)壓后，護(hù)腿柱能迅速插入底板，不至于將腿壓彎。靠采空側(cè)鉸接梁下為一梁兩柱，能更有效支護(hù)頂板?？坎煽諅?cè)鉸接梁末端設(shè)在切頂錨索巷道內(nèi)側(cè)，采空側(cè)切頂錨索能很好的保護(hù)單體支護(hù)。

4.應(yīng)用效果以及不足

改進(jìn)了沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)后，取消了原十字鉸接梁，工字鋼護(hù)腿損耗率也大大降低，按照2020年沿空留巷2000m計(jì)算，取消了原十字鉸接梁可減少投入十字鉸接梁3333個(gè)，單價(jià)為510元/個(gè)，可以節(jié)約支護(hù)成本170萬(wàn)元，工字鋼護(hù)腿改進(jìn)可減少投入工字鋼護(hù)腿約1000根，單價(jià)為45元/根，可以節(jié)約支護(hù)成本4.5萬(wàn)元，合計(jì)可以節(jié)約支護(hù)成本174.5萬(wàn)元，另外減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度，極大降低了安全隱患，保證工人人身安全，經(jīng)濟(jì)效果明顯。

根據(jù)3111、3110沿空留巷的支護(hù)情況來(lái)看，也有不足的地方，沿空留巷后期，受頂板礦壓影響，局部地段出現(xiàn)了底膨現(xiàn)象，需要進(jìn)行起底，個(gè)別單體柱卸液自降需要補(bǔ)液或更換，目前3110留巷斷面為4.5m×2.6m，留巷斷面大，礦壓大，后續(xù)應(yīng)將斷面變小，改為4m×2.6m，可以進(jìn)一步減少礦壓對(duì)支護(hù)體的破壞，提高材料復(fù)用率。

5.小結(jié)

切頂卸壓沿空留巷是無(wú)煤柱開(kāi)采的重要方法之一。為了保證沿空巷道的穩(wěn)定性，在切頂卸壓后仍需要對(duì)沿空巷道進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)多年的工程經(jīng)驗(yàn)，登茂通礦在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)取消了原十字鉸接梁，以簡(jiǎn)化巷道支護(hù)的流程。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)化后的支護(hù)不僅能滿(mǎn)足巷道支護(hù)的需要，還提高了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。但這種支護(hù)還存在著一些不足，需要在日后的工程應(yīng)用中加以完善。