回坡底煤礦回采巷道切頂卸壓工程實踐

趙瑞華

（霍州煤電集團(tuán)山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

煤炭資源的高效開采一直是行業(yè)發(fā)展的重點，沿空留巷是煤炭資源高效開采的有效手段之一，其因為無煤柱連續(xù)開采、減少巷道的掘進(jìn)量、提高煤炭的回采率等優(yōu)點被廣泛使用[1-2]。然而，在沿空留巷巷道一側(cè)，受上覆巖層應(yīng)力以及采動影響等多種因素影響，圍巖變形量大，支護(hù)破壞嚴(yán)重，需要進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，有效保證采煤工作的順利進(jìn)行[3-5]。

以回坡底煤礦11-102工作面回采巷道為工程背景進(jìn)行試驗，擬定對沿空留巷一側(cè)采用切頂卸壓技術(shù)，以降低巷道的受力與變形。

1 工程概況

回坡底煤礦目前開采11-102工作面，工作面呈南北走向，由南向北推進(jìn)，西面為11-102進(jìn)風(fēng)巷道，與11-105工作面采空區(qū)相鄰；東面為11-102回風(fēng)巷道，工作面均沿著11#煤層進(jìn)行布置。工作面總面積約為475 268 m2，走向長度達(dá)到1 850 m。工作面地面標(biāo)高為1 045.2～1 120.6 m，工作面標(biāo)高為590～705 m，煤層的平均埋深為444.45 m，最淺埋深為419.2 m，最大埋深達(dá)到469.7 m。工作面采用Y型通風(fēng)。煤層頂?shù)装鍘r層性質(zhì)如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層性質(zhì)

11-102工作面采用傾斜長壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，雙滾筒采煤機(jī)割煤，一次采全高（工作面采高2.8 m），液壓支架支護(hù)。工作面推進(jìn)后采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板，11-102工作面進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)擬采用沿空留巷技術(shù)?？紤]到切頂卸壓時受力復(fù)雜，為了避免巷道在多重應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，需擬定合理的切頂卸壓方案。

2 巷道受力分析

從沿空留巷圍巖受力情況來看，當(dāng)沿空留巷支護(hù)效果良好時，工作面超前距離10～30 m范圍內(nèi)，巷道圍巖穩(wěn)定性良好，受力及變形量較小，巷道穩(wěn)定。巷道超前支護(hù)距離小于20 m或者在工作面后方5 m范圍內(nèi)，支護(hù)系統(tǒng)雖然能很好地保持巷道的穩(wěn)定性，但是支架受力較大。在工作面后方40 m范圍內(nèi)（大于5 m），除了受采動影響，周期來壓的影響使得巷道受力更加明顯，且波動更大。這一現(xiàn)象主要發(fā)生在18～25 m范圍內(nèi)，此區(qū)域巷道圍巖變形較大，尤其是頂板變形較大，較大應(yīng)力狀態(tài)下容易導(dǎo)致支護(hù)的失穩(wěn)，當(dāng)周期來壓極其明顯時，圍巖破壞嚴(yán)重；裂隙的擴(kuò)展發(fā)育形成較大的裂隙網(wǎng)絡(luò)以及宏觀大裂紋，頂板巖層的破壞加劇，此時頂板的移近量可達(dá)到預(yù)計最大值的60%左右。在工作面后方60～70 m范圍內(nèi)，隨著采空區(qū)的垮落，靠近采空區(qū)側(cè)的巷道圍巖處于壓實狀態(tài)，此時沿空留巷巷道受力特征逐漸減弱，因此頂板變形也趨于緩和，此時頂板的移近量只有預(yù)計最大值的15%左右。

此外，分析沿空留巷巷道變形不規(guī)則以及受力強(qiáng)烈的原因，主要是回采工作面在推進(jìn)過程中，頂板未能及時垮落，懸露的頂板長度的增加，加劇了頂板的受力，造成頂板巖層的斷裂失穩(wěn)甚至回轉(zhuǎn)下沉。長距離頂板的垮落造成壓力的增大，對圍巖受力狀態(tài)影響較大，也是造成沿空留巷巷道變形量增加的原因。懸露的頂板長度并不會全部在同一時間垮落，一般在某一區(qū)域內(nèi)發(fā)生破斷，最后垮落。此時，破斷點作為懸露頂板回轉(zhuǎn)下沉的分界點，造成了巷道圍巖受力變形劇烈?，F(xiàn)場實際觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沿空留巷巷道實體煤幫頂板的下沉量往往小于充填幫頂板的下沉量，且破斷后的頂板一般向采空區(qū)傾斜。因此，懸露頂板的長度越大，沿空留巷巷道的變形量也越大。由于回采工作面來壓強(qiáng)烈，造成沿空留巷巷道頂板的下沉量較大，且變化不規(guī)律，對于巷道一旁的充填體而言，提供的支撐力小于來壓的強(qiáng)度，即阻力值小于來壓強(qiáng)度，造成充填體的變形。但是，垮落的頂板巖層碎脹系數(shù)較大，使得承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度增加，因此，支護(hù)體系與垮落的巖層之間形成良好的平衡結(jié)構(gòu)，減少了頂板的下沉量。當(dāng)直接頂垮落后，垮落的頂板迅速充填了采空區(qū)，使得采空區(qū)和頂板巖層形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。大量研究表明，沿空留巷巷道頂板的下沉量與煤層的開采厚度有關(guān)，一般呈現(xiàn)線性關(guān)系。因此，煤層的采厚越大，越不利于沿空留巷巷道的維護(hù)。11-102工作面采厚2.8 m，有利于巷道的維護(hù)。考慮到沿空留巷頂板變形劇烈的現(xiàn)狀，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有較大的支護(hù)阻力，在回采工作面周期來壓之前，應(yīng)該具有較大的早期支護(hù)強(qiáng)度，且支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該與巷道形成良好的耦合關(guān)系，能夠良好地避免頂板的離層現(xiàn)象，并能間接切斷直接頂和基本頂?shù)穆?lián)系，確保頂板巖層的完整性。當(dāng)沿空留巷巷道支護(hù)強(qiáng)度較大時，可以有效阻止頂板的下沉，避免了頂板的破裂，減少了頂板的離層量，使得巷道頂板處于新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。一般而言，液壓支架的工作阻力可以支撐4倍的巖層重量，支架的伸縮率也與頂板的下沉量相互耦合。當(dāng)沿空留巷支護(hù)體系無法支撐巷道的圍巖變形時，應(yīng)該采用人工切頂卸壓進(jìn)行人工干預(yù)，人為造成頂板的垮落，并提高支護(hù)阻力，減少頂板的下沉量，使得圍巖受力達(dá)到平衡狀態(tài)。

3 切頂卸壓

1）切頂卸壓方案。借鑒以往大量的施工經(jīng)驗，11-102工作面擬定采用如下切頂卸壓施工方案：施工段選擇在工作面超前支護(hù)段外，在進(jìn)風(fēng)巷頂板上進(jìn)行走向布置鉆孔作業(yè)。鉆孔與工作面仰角角度呈現(xiàn)70°，沿著傾向方向鉆孔長度達(dá)到20 m，間距為0.9 m。施工時，確保20個鉆孔為一組，一組鉆孔需要包括打孔、裝藥以及封孔三個工序。該切頂卸壓方案不影響回采工作的順利進(jìn)行，且可以在直接頂和基本頂巖層中形成貫穿的裂紋通道，當(dāng)工作面推進(jìn)后，上覆巖層可沿著工作面裂紋擴(kuò)展的方向進(jìn)行切頂垮落，充滿采空區(qū)的同時，實現(xiàn)了巷道上覆巖層壓力的釋放。

整個施工段位于超前工作面100 m范圍內(nèi)。切頂卸壓鉆孔直徑為85 mm，鉆孔長度20 m，其中14 m為裝藥長度，6 m為封孔長度。施工時，需要充分考慮工作面幫側(cè)瓦斯抽采管以及頂板錨索支護(hù)，避免施工造成瓦斯泄露以及頂板支護(hù)失效，確?；夭晒ぷ髡ｍ樌M(jìn)行。

2）施工工藝。鉆孔施工主要通過兩臺型號相同的履帶鉆機(jī)完成，通過鉆機(jī)上的金剛鉆進(jìn)行打孔，鉆桿的長度、直徑分別為1 m、50 mm。鉆孔角度是后續(xù)裝藥以及裂紋產(chǎn)生的重要基礎(chǔ)，在施工過程中，鉆機(jī)配合坡度儀精確測定鉆孔角度。每個鉆孔施工時，都需要清除鉆孔內(nèi)的煤渣及矸石，確保鉆機(jī)可以按照恒定的速度進(jìn)行鉆孔施工，每個鉆孔打孔后都要進(jìn)行檢查和記錄，考慮到實際工作空間有限且鉆桿長度較長，實際施工鉆孔角度誤差不超過±3°。

采用注漿封孔工藝進(jìn)行鉆孔封孔。長期的實踐證明該施工工藝可以有效降低施工的勞動強(qiáng)度，較少的施工人員、高安全性以及高施工效率，使得該工藝廣泛應(yīng)用于裝藥及封孔工藝中。三管兩進(jìn)一回是封孔工藝的核心，三管指的是三根PVC管，將三根PVC管固定在鉆孔（裝藥孔）中，其中一根直接插入至鉆孔底部，長度達(dá)到20 m，主要起到排氣的作用；第二根PVC管固定在鉆孔8 m處，通過連接控制閥以及泄壓閥，起到啟注水泥的作用，同時便于裝藥工作；第三根固定在鉆孔7 m處，主要的作用是封孔。需要注意的是，PVC管只起到輔助封孔的作用，主要封孔作業(yè)通過可塑性漿液完成，漿液是由水泥和水玻璃制成，當(dāng)漿液封孔達(dá)到一定的強(qiáng)度時，利用氣動雙液泵將水泥漿注入孔內(nèi)，然后將可塑性漿液注入孔內(nèi)，兩種漿液注入的時間差必須大于水泥漿凝固的時間。

4 礦壓監(jiān)測分析

為了檢驗方案的可行性，需要對切頂卸壓施工段內(nèi)，沿空留巷區(qū)域內(nèi)巷道圍巖的受力及位移特征進(jìn)行監(jiān)測，同時與未實施切頂卸壓施工段內(nèi)巷道圍巖受力及位移特征進(jìn)行對比。為此，在巷道內(nèi)共布置2個測站，實施切頂卸壓段和未實施切頂卸壓段各布置一個測站，分別編號測站1、測站2，每個測站均對錨桿/錨索受力、巷道圍巖變形（頂板離層量、底板鼓起量、兩幫移近量）以及圍巖受力特征進(jìn)行監(jiān)測。

錨桿錨索受力狀態(tài)監(jiān)測方法如下：每個測站均布置有6個壓力傳感器，其中頂板中央錨索布置1個型號為KNP-GMY150G型錨索壓力傳感器，在頂板、巷道兩幫靠近頂板及底板處布置5個型號為KNP-GMY150G型的錨桿壓力傳感器。

采用十字交叉法監(jiān)測巷道圍巖的變形。十字交叉法指的是巷道頂板離層量監(jiān)測點和底板鼓起量監(jiān)測點與巷道底板垂直，兩幫移近量監(jiān)測點與巷道底板平行，四個監(jiān)測點呈現(xiàn)十字交叉，故稱為十字交叉監(jiān)測法。

圍巖受力特征的監(jiān)測與圍巖變形監(jiān)測方法類似，2個測站布置方法相同，測點的鉆孔深度均需達(dá)到6 m，鉆孔直徑為42 mm，每個鉆孔處安裝有一個GYW20W型壓力傳感器。

監(jiān)測結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，切頂卸壓方案下巷道圍巖的受力及變形量均有明顯的減??；對于頂板離層量而言，降幅達(dá)到55.79%，底板鼓起量和兩幫移近量也得到很好的控制，降幅分別為62.5%、57.4%；對于巷道圍巖的受力，同樣呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，巷道頂板、左幫、右?guī)妥畲笫芰χ到捣謩e為33.33%、25%、27.3%。巷道圍巖受力值及變形量的大幅度降低證明了切頂卸壓方案的可行性，可為類似工程施工提供經(jīng)驗借鑒。

表2 礦壓監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)語

以回坡底煤礦11-102工作面進(jìn)風(fēng)巷（沿空留巷）為工程背景，基于對現(xiàn)場數(shù)據(jù)調(diào)研與分析，擬定了設(shè)計切頂卸壓實施方案，并進(jìn)行現(xiàn)場實踐。依據(jù)現(xiàn)場礦壓實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析實施切頂卸壓施工段及未實施切頂卸壓施工段內(nèi)錨桿/錨索受力、巷道圍巖變形（頂板離層量、底板鼓起量、兩幫移近量）以及圍巖受力特征；監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，實施切頂卸壓施工段內(nèi)巷道圍巖的變形及受力均得到有效改善，為工作面回采提供了安全保障。