復(fù)合頂板綜采工作面切頂卸壓留巷支護(hù)技術(shù)研究

郭美俊

（山西焦煤汾西礦業(yè)柳灣煤礦，山西 孝義 032300）

引言

預(yù)留煤柱護(hù)巷雖然可滿足采面開采需求，但是存在巷道掘進(jìn)工程量大、煤柱內(nèi)應(yīng)力集中以及煤炭資源開采效率低等問題[1-2]。切頂卸壓沿空留巷可提高煤炭采收率、避免煤柱應(yīng)力集中、降低掘進(jìn)工程量以及實(shí)現(xiàn)Y 型通風(fēng)等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦井下應(yīng)用逐漸廣泛[3-4]。但是現(xiàn)階段切頂卸壓沿空留巷技術(shù)多應(yīng)用在煤層頂板條件較好的工作面內(nèi)，當(dāng)開采煤層頂板為復(fù)合頂板時(shí)，留巷段往往面臨頂板破碎、圍巖變形量大等問題[5-6]。為此，本文以山西某礦11301 綜采工作面回風(fēng)巷留巷為工程背景，對(duì)復(fù)合頂板留巷技術(shù)展開探討，以期為其他礦井類似情況下留巷工作開展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 11301 綜采工作面工程概況

11301 綜采工作面是3 采區(qū)11 號(hào)煤層首采工作面，采面西部為未開采區(qū)域，南側(cè)以運(yùn)順為界與工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱相鄰，東側(cè)采止線為界，北側(cè)以回順為界與JZ3-1 鉆孔相鄰，北部為未開采區(qū)域。11301綜采工作面傾向長(zhǎng)度設(shè)計(jì)172 m、走向長(zhǎng)度720 m，主采的11 號(hào)煤層為無煙煤，厚度3.55 m，傾角15°，埋深平均290 m，賦存較穩(wěn)定。本工作面內(nèi)煤層無巖漿巖體、陷落柱。

11 號(hào)煤層為泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤線以及砂巖等構(gòu)成的復(fù)合頂板，在采面回風(fēng)巷頂板位置施工窺視鉆孔，但鉆孔鉆進(jìn)至8.5 m 時(shí)出現(xiàn)塌孔無法繼續(xù)施工，具體鉆孔窺視成果以及頂板巖層分布情況見圖1、圖2。從圖1、圖2 中可看出，11 號(hào)煤層頂板為典型的復(fù)合頂板，砂巖、泥巖等組合變化大；回風(fēng)巷頂板上覆1.5 m 范圍內(nèi)存在巖層破碎、離層情況明顯；頂板上覆2～5 m 范圍內(nèi)存在厚度變化較大的砂巖及砂質(zhì)泥巖，該層巖層破壞狀態(tài)直接影響回風(fēng)巷切頂留巷效果。

圖1 鉆孔窺視圖

圖2 鉆孔揭露頂板巖層情況

2 工作面切頂卸壓留巷技術(shù)方案

2.1 回風(fēng)巷補(bǔ)強(qiáng)加固

11301 工作面開采的11 號(hào)煤層埋深平均290 m，地應(yīng)力顯現(xiàn)不明顯，巷道原錨桿+錨網(wǎng)組合方式支護(hù)圍巖。為確保留巷期間回風(fēng)巷頂板巖層穩(wěn)定，提出采用恒阻錨索對(duì)巷道頂板進(jìn)行加固。頂板布置的恒阻錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×12 300 mm，每排施工3根。采用工字鋼將沿著巷道走向連接鄰近的錨索；錨索布置間距、排距均為1 400 mm。巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)采用的錨索均使用4 支MSZ2350 錨固劑錨固，有效錨固長(zhǎng)度控制在2 000 mm。錨固完成后使用MZ22-200 張拉機(jī)施加給錨索200 kN 以上預(yù)緊力。具體頂板補(bǔ)強(qiáng)加固設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖

2.2 深孔定向爆破切頂

在11301 回風(fēng)巷頂板采用深孔定向爆破切頂降低采空區(qū)頂板垮落給留巷段圍巖影響及圍巖變形量。具體深孔切縫鉆孔深度可通過式（1）計(jì)算：

其中：H煤為工作面采高，取3.55 m；ΔH1為頂板變形量，取40 mm；ΔH2巷道底鼓量，取20 mm；K 為3號(hào)煤層頂板碎脹系數(shù)，取值1.30。將上述數(shù)據(jù)帶入公式（1）計(jì)算得到H縫=11.6 m。

定向爆破切頂鉆孔采用ZQJ.200/1.8Q 鉆機(jī)施工，具體切頂鉆孔施工布置參數(shù)見表1。

表1 切頂鉆孔施工參數(shù)

11 號(hào)煤層為復(fù)合頂板，考慮到頂板成縫率、巖層條件并結(jié)合以往留巷經(jīng)驗(yàn)，將頂板切縫高度設(shè)計(jì)為11.6 m。切頂爆破時(shí)采用的雙向聚能管內(nèi)徑、外徑分別為36.5 mm、42 mm，聚能管長(zhǎng)1 500 m，在聚能管內(nèi)裝有4 卷規(guī)格為Φ35 mm×345 mm、重量400 g煤礦許用三級(jí)水膠炸藥。

2.3 留巷段支護(hù)方案

根據(jù)11301 綜采工作面開采情況，將采面劃分為四個(gè)區(qū)段，超前采面前方20 m 范圍為超前支護(hù)區(qū)、采面后方120 m 范圍內(nèi)為滯后支護(hù)區(qū)、采面后方120～200 m 范圍內(nèi)為成巷待穩(wěn)定區(qū)、采面后方200 m以外范圍內(nèi)為成巷穩(wěn)定區(qū)。不同區(qū)域內(nèi)應(yīng)采取對(duì)應(yīng)的巷道圍巖控制措施，具體11301 回風(fēng)巷支護(hù)分區(qū)如圖4 所示。

圖4 支護(hù)分區(qū)示意圖

2.3.1 超前支護(hù)區(qū)及滯后支護(hù)區(qū)支護(hù)

超前支護(hù)采用工字鋼、單體架棚組成邁步式抬棚進(jìn)行支護(hù)。

滯后支護(hù)區(qū)支護(hù)采用液壓抬棚+單體支柱+II型梁支護(hù)頂板，并采用U 型鋼、金屬網(wǎng)等組成檔桿支架避免采空區(qū)內(nèi)冒落矸石進(jìn)入留巷空間。采用的單體支柱為DW28-DW35、單體抬棚為ZQL2×3200/17.5/35，按照一梁三柱組合方式對(duì)留巷段頂板進(jìn)行支護(hù)，棚間距均為1 200 mm。檔矸支護(hù)中U 型鋼柱間隔800 mm 并布置在切頂線外50 mm 處，每架U 型鋼柱由2 節(jié)U 型鋼組成，U 型鋼搭接長(zhǎng)度控制在400 mm 以上，在搭接處采用2 道限位卡纜固定。具體支護(hù)斷面設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 強(qiáng)化支護(hù)結(jié)構(gòu)（單位：mm）

在II 型梁下鋪設(shè)單吊軌（MK10-16000N）用以回撤液壓抬棚、單體以及II 型梁等支護(hù)材料，降低作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.3.2 成巷待穩(wěn)定區(qū)支護(hù)

在采面后方120～200 m 范圍為成巷待穩(wěn)定區(qū)，在該范圍可跟根據(jù)礦壓顯現(xiàn)情況以及回風(fēng)巷變形情況對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)巷道圍巖壓力顯現(xiàn)明顯或者圍巖變形量較大時(shí)，可保持原有滯后支護(hù)區(qū)支護(hù)參數(shù)不變；當(dāng)?shù)V壓顯現(xiàn)不明顯且圍巖變形量穩(wěn)定后，則可間隔一棚回撤一棚，將架棚間距由1 200 mm 增加至2 400 mm。

2.3.3 成巷穩(wěn)定區(qū)支護(hù)

在采面后方200 m 以外范圍內(nèi)屬于成巷穩(wěn)定區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)可依據(jù)礦壓呈現(xiàn)以及圍巖變形情況對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行確定。當(dāng)?shù)V壓不顯現(xiàn)且圍巖變形穩(wěn)定時(shí)，則可回撤全部支護(hù)棚；當(dāng)?shù)V壓顯現(xiàn)不明顯或者圍巖變形逐漸趨穩(wěn)時(shí)，則可對(duì)原支護(hù)架棚間隔一棚回撤一棚；當(dāng)?shù)V壓仍有顯現(xiàn)時(shí)，則保持原有架棚支護(hù)。

3 留巷段支護(hù)效果分析

11301 綜采工作面回風(fēng)巷采取上文所述切頂卸壓留巷支護(hù)方案后，對(duì)圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體結(jié)果見圖6 所示。

圖6 圍巖變形量

從圖中看出，隨著測(cè)點(diǎn)滯后采面距離的增加，測(cè)點(diǎn)圍巖變形量變化曲線呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)趨勢(shì)，在滯后采面200 m 以后，留巷段圍巖變形基本穩(wěn)定，其中頂板最大下沉量為170 mm，圍巖變形量整體較小，可滿足回風(fēng)巷后續(xù)使用需要。

4 結(jié)論

1）為提高礦井煤炭開采效率，提出將切頂卸壓留巷技術(shù)應(yīng)用到11301 回風(fēng)巷圍巖控制中，將巷道保留為鄰近采面服務(wù)。但是受到巷道頂板為復(fù)合頂板影響，留巷過程中面臨頂板破碎、圍巖變形量大以及控制困難等問題。為此，提出采用恒阻錨索、W 型鋼帶對(duì)巷道頂板進(jìn)行超前支護(hù)，提高支護(hù)強(qiáng)度；使用深孔定向爆破切頂切斷采空區(qū)頂板與留巷段頂板應(yīng)力傳遞路徑，降低采空區(qū)垮落給留巷段圍巖控制影響。

2）采用液壓抬棚+單體支柱+II 型梁對(duì)留巷頂板進(jìn)行支護(hù)，使用U 型鋼、金屬網(wǎng)構(gòu)成檔矸支架避免采空區(qū)冒落矸石進(jìn)入留巷空間?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，留巷段滯后采面200 m 變形趨于穩(wěn)定，期間頂板最大下沉量控制在170 mm 以內(nèi)，取得較好的圍巖控制效果。