安居煤礦5307 工作面切頂沿空成巷技術(shù)研究

蔣凌強(qiáng)

（濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司安居煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

沿空留巷是為了防止在回采中留置煤柱引起煤的損失，保留上一區(qū)段工作面上順槽，使其成為下一工作面的下順槽。通過(guò)研究沿空留巷圍巖的變形規(guī)律，提出合適的支護(hù)方案進(jìn)行巷內(nèi)巷旁支護(hù)。沿空留巷在一定程度上提高了煤炭的整體回收率和采收率。盡管我國(guó)一些專家學(xué)者及現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員在沿空留巷無(wú)煤柱開采技術(shù)方向進(jìn)行了大量的探索和實(shí)踐[1-6]，采用實(shí)地考察、應(yīng)力測(cè)試、實(shí)驗(yàn)探究以及巖層狀況分析等方法，利用高預(yù)應(yīng)力主動(dòng)支護(hù)、注漿支護(hù)、加強(qiáng)巷道兩幫和頂板支護(hù)，在沿空留巷圍巖變形控制方面具有明顯作用。但對(duì)于超千米埋深中厚煤層沿空留巷無(wú)煤柱開采，由于受埋藏深度等因素的影響，留巷維護(hù)技術(shù)及巷道支護(hù)設(shè)計(jì)仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。該文章以安居煤礦5307 工作面的具體工程地質(zhì)條件為研究背景，對(duì)切頂卸壓沿空成巷展開研究，并制定科學(xué)有效巷道支護(hù)方案。

1 工程概況

安居煤礦5307 工作面位于五采區(qū)，工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，西北-西南部為FX24 斷層，東南部為FD1-1 斷層保護(hù)煤柱。工作面附近還發(fā)育FD33（落差0～3 m）、FD37 斷層（落差0～9 m）。主采3上煤，煤層賦存形態(tài)為西南傾向，平均傾角為7°，煤厚1.7～2.4 m，平均為2.0 m，煤層可采系數(shù)為100%，屬較穩(wěn)定煤層。5307 工作面長(zhǎng)476 m，寬150 m，面積約71 400 m2。煤層頂板主要由粉砂巖、中砂巖和泥質(zhì)砂巖構(gòu)成，底板主要由泥質(zhì)砂巖構(gòu)成。5307 工作面的軌道順槽切頂留巷長(zhǎng)度480 m。

2 切頂卸壓碎脹充填技術(shù)

2.1 切頂卸壓碎脹特性試驗(yàn)

采用側(cè)限壓縮試驗(yàn)對(duì)不同粒徑破碎矸石軸向壓實(shí)力學(xué)特性進(jìn)行研究。試樣選取頂板泥巖和砂質(zhì)泥巖，其中所取試樣均來(lái)自煤礦直接頂，將從現(xiàn)場(chǎng)提取的整塊矸石先進(jìn)行人工破碎后，再通過(guò)土工篩對(duì)碎矸石進(jìn)行進(jìn)一步的粒徑篩分。每種巖性制作7 個(gè)試樣，粒徑質(zhì)量分布見表1。將制備好的破碎矸石巖樣分層放入自制壓實(shí)裝置中，記錄壓縮前初始堆積高度，采用MTS 伺服加載試驗(yàn)機(jī)對(duì)破碎巖樣進(jìn)行加載，加載速度為0.04 MPa/s，軸壓達(dá)到60 MPa時(shí)停止加載。

表1 試樣粒徑質(zhì)量分布

2.2 單軸側(cè)向壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

破碎矸石的應(yīng)力-應(yīng)變大致可以分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段為快速壓實(shí)階段，當(dāng)軸壓在巖石抗壓強(qiáng)度0～30%范圍內(nèi)時(shí)，軸向應(yīng)變隨軸向應(yīng)力的增加迅速增大，軸向變形量占該階段總變形量的60%以上；第二階段是緩慢壓實(shí)階段，當(dāng)軸壓增加到破碎巖石抗壓強(qiáng)度的30%～100%時(shí)，一方面經(jīng)過(guò)早期壓實(shí)階段后，碎石結(jié)構(gòu)變得致密，顆粒間的咬合力逐漸增大，從而具備了相當(dāng)?shù)某休d能力和抗變形能力，另一方面由于大量碎石產(chǎn)生破裂或棱角破碎，同時(shí)產(chǎn)生大量細(xì)粒徑碎石充填裂隙，所以在該階段碎石軸向應(yīng)變隨軸向的應(yīng)力增加呈緩慢上升趨勢(shì)；第三階段為穩(wěn)定壓固階段，該階段同總變形量相比，變形量只占10%，軸向變形增長(zhǎng)緩慢，其中碎石的變形主要由于顆粒間殘余的微小孔隙之間互相壓縮和碎石本身的彈性變形所造成的。

2.3 破碎矸石碎脹充填特性

通常情況下用碎脹系數(shù)K衡量頂板巖石碎脹能力。隨著壓力的增大，破碎巖石碎脹系數(shù)變化曲線可分為“急劇減小—緩慢減小—穩(wěn)定”三個(gè)階段。泥巖連續(xù)級(jí)配巖樣N-1、N-2、N-3、N-4 初始碎脹系數(shù)分別為1.89、1.89、1.87 和1.90，穩(wěn)定碎脹系數(shù)分別為1.16、1.14、1.11 和1.10。砂質(zhì)泥巖連續(xù)級(jí)配巖樣SN-1、SN-2、SN-3、SN-4 初始碎脹系數(shù)則分別為1.82、1.87、1.87 和1.87，穩(wěn)定碎脹系數(shù)分別為1.09、1.08、1.10 和1.06。由此可以發(fā)現(xiàn)，相同巖性特征的連續(xù)級(jí)配破碎巖石初始碎脹系數(shù)和穩(wěn)定碎脹系數(shù)十分相似，但由于軸向壓力的增加，碎脹系數(shù)越來(lái)越小，但是總體來(lái)說(shuō)相同軸向壓力條件下連續(xù)級(jí)配巖樣碎脹系數(shù)值相差不多，說(shuō)明碎石粒徑越小，碎脹系數(shù)越大，即碎脹體積越大。

3 切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 NPR 恒阻大變形錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中在原有支護(hù)設(shè)計(jì)上，又選擇了直徑為21.8 mm、外徑為72 mm 的恒阻大變形錨索，以及長(zhǎng)度500 mm、恒阻值為（33±2）t 的恒阻器，設(shè)定預(yù)緊力大于等于28 t。通過(guò)對(duì)5307 工作面的圍巖變形力學(xué)機(jī)制、支護(hù)對(duì)策分析研究，在5307軌道順槽頂板采用恒阻大變形錨索支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，設(shè)計(jì)支護(hù)方式為：

NPR 恒阻錨索設(shè)計(jì)布置在5307 工作面軌道順槽處，共2 列。在距切縫鉆孔400 mm（距回采側(cè)煤幫500 mm）處布置第1 列，錨索間排距為800 mm；巷道中線處布置第2 列，排距為800 mm。位于同一列中相鄰的錨索，選用W 鋼帶進(jìn)行連接，規(guī)格為3000 mm×300 mm×5 mm（平行于巷道走向）。根據(jù)切縫參數(shù)和在巷道頂板穩(wěn)定巖層的位置，選取恒阻錨索規(guī)格為9300 mm，在巷道頂板垂直方向布置錨索，預(yù)緊力大于等于28 t。

3.2 預(yù)裂切縫關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

采用雙向聚能爆破技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面頂板的定向切割。應(yīng)避免巖層破碎引起體積膨脹的高度超出直接頂?shù)暮穸?，利用有碎脹特性的墊層對(duì)上覆巖層進(jìn)行支撐，以維持基本頂?shù)姆€(wěn)定。因此，當(dāng)?shù)坠募绊敯逑鲁恋奈灰坪雎圆挥?jì)時(shí)，取工作面最高2.4 m計(jì)算，可得HF=6.86 m，再考慮頂板巖性等因素，可以確定預(yù)裂切縫高度為HF=7 m。

切頂角度是切縫線與垂直線之間的夾角，為了使切縫后的采空區(qū)頂板可以順利垮落，切頂角度α要根據(jù)該礦實(shí)際覆巖結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了施工方便，α通常取5 的整數(shù)倍，如0°、5°、10°、15°、20°等。結(jié)合安居煤礦現(xiàn)場(chǎng)情況、施工條件及地質(zhì)特性綜合分析，可以確定本次切縫角度為15°，切縫孔距回采幫100 mm。

4 切頂卸壓自成留巷工程應(yīng)用

4.1 巷道圍巖變形規(guī)律分析

由于切頂作業(yè)，巷道形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，巷道表面位移變化具有明顯的非對(duì)稱性，為了驗(yàn)證切頂卸壓技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果，要求觀測(cè)巷道兩幫及巷道頂?shù)装逦灰谱冃吻闆r。采取“十字測(cè)點(diǎn)法”，于巷道頂?shù)装宀贾? 組測(cè)點(diǎn)，兩幫布置1 組測(cè)點(diǎn)，自留巷位置開始，每100 m 范圍內(nèi)間隔20 m 布置一個(gè)測(cè)站（共6 個(gè)），每100～200 m 范圍內(nèi)間隔50 m布置一個(gè)測(cè)站（共2 個(gè)），共布置8 個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站安裝一個(gè)頂?shù)装逡平勘O(jiān)測(cè)儀。

通過(guò)圖1 曲線的計(jì)算分析，頂?shù)装逡七M(jìn)共包括了三個(gè)階段：架后180 m 內(nèi)為第一階段，該部分與工作面距離較小，在采動(dòng)影響下造成基本頂回轉(zhuǎn)下沉，在端頭架后70～180 m，頂?shù)装逡七M(jìn)量明顯增大，頂板此時(shí)已承受來(lái)壓作用；架后180～250 m 為第二階段，頂板未完全穩(wěn)定，且受矸石壓實(shí)產(chǎn)生的動(dòng)壓的影響，但同第一階段相比，變形較慢；架后250 m 后為第三階段，主動(dòng)及被動(dòng)支護(hù)與頂板壓力間接近平衡狀態(tài)，頂板位移量（即圍巖變形）趨于穩(wěn)定，不同位置及地質(zhì)條件稍有差別。通過(guò)對(duì)比圖1 和圖2 可知，切縫側(cè)頂板下沉量＞巷道中部頂板下沉量＞實(shí)體煤側(cè)頂板下沉量，碎石幫位移量＞實(shí)體煤幫位移量，說(shuō)明巷道圍巖變形情況呈非對(duì)稱性。

圖1 頂?shù)装逡七M(jìn)量

圖2 兩幫變形量

4.2 成巷效果分析

在采用切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)對(duì)5307 工作面軌道順槽進(jìn)行沿空自留成巷作業(yè)時(shí)，成巷區(qū)內(nèi)的巷道頂板位移量較小，切縫側(cè)巷道頂板最大位移量258 mm，平均下沉量197 mm，實(shí)體煤幫側(cè)最大下沉量198 mm，平均下沉量137 mm，碎石巷道兩側(cè)幫無(wú)明顯側(cè)鼓，實(shí)體煤巷道兩幫無(wú)明顯片幫現(xiàn)象。整體巷道變形情況符合煤礦安全生產(chǎn)和支護(hù)設(shè)計(jì)的要求，取得了較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

（1）單一粒徑破碎巖樣初始碎脹系數(shù)明顯大于連續(xù)級(jí)配碎脹系數(shù)，但隨著壓力的增大，碎石顆粒經(jīng)過(guò)多次破碎、壓實(shí)等力學(xué)行為后，碎脹系數(shù)值越來(lái)越接近，說(shuō)明當(dāng)軸向壓力足夠大時(shí)，粒徑級(jí)配對(duì)巖石碎脹性能的影響逐漸被削弱。

（2）根據(jù)5307 軌道順槽實(shí)際狀況，確定了NPR 恒阻錨索支護(hù)、切頂高度以及切縫角度等關(guān)鍵性參數(shù)，并對(duì)工作面進(jìn)行分區(qū)劃分：超前支護(hù)區(qū)、架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)及成巷穩(wěn)定區(qū)，制定相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計(jì)方案及措施。

（3）通過(guò)對(duì)巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)可知，5307軌道順槽巷道頂?shù)装?、兩幫變形量在滯后工作?～180 m 范圍內(nèi)變形速度較快，在180～250 m 左右趨勢(shì)相對(duì)平緩，在250～300 m 左右變形逐漸趨于穩(wěn)定。切縫側(cè)和實(shí)體煤側(cè)的頂板下沉量相對(duì)一致，且變形量較大，而底鼓變形量相對(duì)較小。