順槽沿空留巷弱化孔切頂及加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

劉曉龍

（山西科興能源發(fā)展有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概況

山西科興能源發(fā)展有限公司主采的15 號(hào)煤層厚度約2.2～2.9 m，煤層傾角3°，有一層夾矸約0.2～0.4 m，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定可采煤層。頂板為粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，中厚層狀，含有少量云母片，厚度3.8～5.4 m；底板為灰色粉砂巖，含有大量植物根莖化石，厚度2.4～3.6 m。15#煤層及頂?shù)装鍘r層均較松軟，屬于典型的“三軟”煤層。15113 工作面位于井田的南部，南為規(guī)劃的15115回采面，西為主要大巷，東為二采區(qū)開(kāi)拓巷道，北為15111工作面。為減少巷道掘進(jìn)量、節(jié)約留巷成本，對(duì)15113 運(yùn)輸順槽沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)展開(kāi)研究。15113 工作面采掘布置圖如圖1。

圖1 15113 工作面采掘布置圖

2 沿空巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 留巷切頂階段支護(hù)研究

采用無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)時(shí)，回采工作面及其后方一定范圍內(nèi)的沿空巷道圍巖穩(wěn)定是支護(hù)的重點(diǎn)，該區(qū)段采空區(qū)上覆巖層垮落下沉，沿空巷道頂板與采空區(qū)巖層之間破斷，沿空巷道頂板巖層向采空區(qū)側(cè)回轉(zhuǎn)下沉，此階段為切頂留巷的重要環(huán)節(jié)，此時(shí)是考驗(yàn)巷道支護(hù)的最關(guān)鍵時(shí)期，因此可通過(guò)此時(shí)所需的支護(hù)阻力來(lái)設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方案。參考相關(guān)研究成果[1-2]，切頂階段巷道頂板的力學(xué)模型如圖2。

沿空巷道一側(cè)工作面基本頂AC 巖塊受到采空區(qū)上方基本頂?shù)乃酵屏c：

式中：l為基本頂斷裂步距，根據(jù)鄰近工作面周期來(lái)壓情況，取15 m；q為上覆巖層給予基本頂?shù)拇怪睉?yīng)力及其自身重力，240 N/m；h為基本頂厚度，為5.9 m；ΔSc為基本頂AC 巖塊靠近采空區(qū)一側(cè)端點(diǎn)的下沉量，ΔSc=M-t·（kp-1），M為工作面采高2.3 m，t為直接頂厚度3.5 m，kp為上覆巖層的碎脹系數(shù)1.4，計(jì)算得到ΔSc=0.9 m。代入式（1）計(jì)算可得Tc=229.89 N/m。

鄰近接替工作面煤幫提供的垂直應(yīng)力σy計(jì)算公式[3]：

式中：σy為煤幫內(nèi)垂直應(yīng)力，MPa；M為工作面采高，2.3 m；C為煤層粘聚力，1.87 MPa；φ為老頂內(nèi)摩擦角，23°；ξ為系數(shù)，ξ= (1 + sinφ) (1 - sinφ)，計(jì)算得到ξ=2.28；f為摩擦系數(shù)，f=tanφ=0.42；γ為上覆巖層容重，25 kN/m3；H為工作面埋深，350 m；k為應(yīng)力集中系數(shù)，2.5；Pi為單體液壓支柱支護(hù)阻力；k為應(yīng)力集中系數(shù)，2.5。

分別建立巖塊AB、BC 的受力平衡方程，巖塊BCΣFy=0，即：

巖塊BC 水平方向受力平衡TB=TC，巖塊BCΣMB=0，計(jì)算可得：

巖塊ABΣMA=0，計(jì)算可得式（5）：

將式（3）、（4）代入式（5）可得到巷道內(nèi)支護(hù)阻力的計(jì)算公式（6）：

2.2 支護(hù)方案

根據(jù)15113 運(yùn)輸順槽頂板巖層特征，采用組合梁理論設(shè)計(jì)巷內(nèi)錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)，頂板錨桿長(zhǎng)度為2.4 m，直徑為22 mm，每排5 根錨桿，間距為0.95 m，排距為0.8 mm，錨桿直徑22 mm；采用4840 mm 托梁配合冷拔絲網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿采用MSK2335（在上）和MSZ2360（在下）型樹(shù)脂藥卷各一支；頂板普通錨索索體采用直徑為21.8 mm、長(zhǎng)度6.0 m 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用“三花”布置，每排兩根錨索時(shí)距巷道中線950 mm 布置，錨索間距1900 mm，每排1 根時(shí)布置在巷道中線位置，排距為2.4 m；補(bǔ)強(qiáng)錨索索體采用直徑21.8 mm、長(zhǎng)度8.0 m 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，距15113 工作面實(shí)體煤幫980 mm 布置，垂直頂板安裝，排距800 mm；普通錨索、補(bǔ)強(qiáng)錨索均采用一支MSK2335 和兩支MSZ-2360 樹(shù)脂藥卷錨固。幫補(bǔ)支護(hù)的設(shè)計(jì)參考現(xiàn)有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，幫角部位采用直徑22 mm、長(zhǎng)度2.4 m 的全長(zhǎng)自攻固螺紋鋼錨桿，錨桿分別向上方、下方偏斜10°安裝，中部?jī)筛^桿采用直徑22 mm、長(zhǎng)度3.0 m 全長(zhǎng)自攻固螺紋鋼錨桿，幫錨桿間排距為0.8 m，兩幫采用聚丙烯雙抗網(wǎng)護(hù)幫。15113 回風(fēng)順槽支護(hù)詳情如圖3。

圖3 15113 運(yùn)輸順槽支護(hù)（mm）

3 切頂弱化孔參數(shù)研究

3.1 弱化切頂鉆孔深度

預(yù)裂切頂需通過(guò)頂板爆破孔連線形成適當(dāng)深度的切縫，使得工作面回采期間采空區(qū)頂板與沿空巷道頂板沿切縫處垮落。根據(jù)15113 運(yùn)輸順槽地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)采用“密集弱化鉆孔”來(lái)替代傳統(tǒng)的預(yù)裂爆破切頂工藝，弱化孔的深度決定著頂板切落的高度，故超前工作面弱化孔深度的計(jì)算公式[4]：

式中：ΔH1為沿空巷道頂板下沉量，m；ΔH2為底板底鼓量，m；K為頂板巖層碎脹系數(shù)，1.3～1.5，根據(jù)科興能源3#煤層上覆巖層巖性，碎脹系數(shù)K取1.4。工作面采高取最大值2.3 m 時(shí)，計(jì)算可得弱化孔深度應(yīng)為5.75 m，結(jié)合地質(zhì)柱狀圖，確定15113 運(yùn)輸順槽超前弱化孔深度為6.0 m，布置間距為0.3 m，鉆孔直徑為42 mm。

3.2 弱化孔角度研究

為取得最佳的切頂效果，采用數(shù)值模擬對(duì)最佳的弱化孔角度進(jìn)行研究，三維數(shù)值模型尺寸長(zhǎng)、寬、高為30 m、40 m、20 m，模型四周及底面邊界為位移約束條件。根據(jù)15113 運(yùn)輸順槽的留巷特點(diǎn)，工作面一次開(kāi)挖到位，巷道位于模型左側(cè)，距模型左側(cè)邊界6.0 m，斷面寬×高=4.4 m×2.6 m，模型如圖4（a）。頂板弱化鉆孔深度6.0 m，鉆孔與頂板的夾角分別為70°、80°、90°，孔間距為0.3 m，巷道頂板和兩幫采用前述的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式，分別監(jiān)測(cè)不同切頂角度條件下沿空巷道頂板下沉量，得到圖4（b）所示結(jié)果。

圖 4 數(shù)值模型及模擬結(jié)果

可以看出，切頂角度為80°、70°時(shí)，沿空巷道頂板下沉一定階段后，頂板下沉量不再增大，表明巷道頂板受到采空區(qū)冒落矸石的支撐作用形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。切頂鉆孔為70°時(shí)，頂板最大下沉量為334 mm；切頂角度為80°時(shí)，頂板最大下沉量為151 mm；切頂角度為90°時(shí)，雖然沿空巷道頂板下沉量較小，但是持續(xù)增大，表明采空區(qū)矸石為有效支撐巷道頂板，未形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不利于沿空巷道圍巖穩(wěn)定。綜上表明，15113 運(yùn)輸順槽弱化孔的最佳角度為80°。

4 應(yīng)用效果分析

15113 運(yùn)輸順槽為首個(gè)采用“巷內(nèi)基本支護(hù)+密集支柱+弱化孔+錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)”切頂留巷技術(shù)的巷道，工作面回采期間，超前工作面50 m 進(jìn)行打孔弱化頂板，超前工作面100 m 進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)錨索安裝，工作面前方30 m 和后方100 m 范圍內(nèi)采用單體柱+π 型鋼梁加固?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用期間15113 運(yùn)輸順槽表面變形變化規(guī)律如圖5，工作面前方巷道變形量很小，留巷期間，巷道表面變形呈現(xiàn)逐漸增大至穩(wěn)定不變的趨勢(shì)。滯后工作面80～90 m 時(shí)，巷道圍巖趨于穩(wěn)定，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為285 mm、324 mm，頂?shù)装逡平吭诤侠砜煽胤秶鷥?nèi)，留巷效果較好。

圖5 15113 運(yùn)輸順槽表面變形特征

5 結(jié)論

結(jié)合科興能源15113 運(yùn)輸順槽詳細(xì)的條件，通過(guò)理論分析計(jì)算得到切頂留巷所需的巷內(nèi)支護(hù)阻力為1519 kN/m，采用能夠滿足切頂強(qiáng)度要求的補(bǔ)強(qiáng)錨索配合單體柱+π 型鋼梁補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，理論分析計(jì)算確定“弱化孔”深度為6.0 m，數(shù)值模擬研究確定最佳切頂角度為80°。

15113 運(yùn)輸順槽留巷試驗(yàn)期間，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為285 mm、324 mm，巷道圍巖整體穩(wěn)定性較好，弱化孔切頂卸壓沿空留巷技術(shù)可以推廣使用。