薄煤層半煤巖巷道切頂成巷礦壓規(guī)律研究及應(yīng)用

張 磊，李偉東，汪義龍，魯連喜，李永元，高健勛

(1.華能煤炭技術(shù)研究有限公司，北京 100070；2.鐵法能源曉南礦，遼寧 鐵嶺 112700)

切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術(shù)利用采空區(qū)垮落矸石作為巷道一幫，實現(xiàn)了無煤柱和無充填體開采，在提高采區(qū)采出率的同時有效改善了巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境[1-3]。十余年來，廣大學(xué)者圍繞“110工法”在切頂卸壓成巷機理、圍巖結(jié)構(gòu)特征、覆巖運動規(guī)律及關(guān)鍵技術(shù)等方面開展了大量的研究工作[4-10]，其中，關(guān)鍵技術(shù)方面的研究涉及定向聚能爆破參數(shù)設(shè)計[11-13]，切頂角度、深度和切縫孔間距等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計[14-16]，高預(yù)應(yīng)力恒阻錨索支護設(shè)計[17-20]等，取得了豐碩的研究成果。

架后頂板臨時支護回撤是影響成巷效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，回撤過早易造成留巷巷道失穩(wěn)大變形，回撤過晚會增加支護成本。頂板臨時支護回撤時間多根據(jù)圍巖變形情況確定，通過分析礦壓規(guī)律實測數(shù)據(jù)確定回撤時機的研究相對較少；此外，為滿足生產(chǎn)需要，薄煤層開采的回采巷道多為半煤巖巷道，先前開展薄煤層切頂卸壓沿空留巷的巷道多沿頂?shù)装宀贾肹21-23]，針對沿煤層中部掘進、同時揭露煤層頂?shù)装宓陌朊簬r巷道切頂成巷研究較少。本研究以曉南礦薄煤層工作面為工程背景，煤層位于巷道中部，留巷巷道同時揭露了煤層頂?shù)装?，針對此類型半煤巖巷道提出切頂成巷技術(shù)方案并進行現(xiàn)場工程應(yīng)用，通過監(jiān)測分析巷道礦壓規(guī)律評價卸壓效果，確定架后頂板臨時支護最佳回撤時間，以期為類似條件下切頂成巷技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

曉南礦N1-1502工作面煤層厚度1.2～2.0m，平均厚度1.46m，煤層傾角3°～7°。工作面傾向長210m，開采長度1185m，采高1.4m。切頂卸壓留巷巷道為N1-1502工作面運輸巷，巷道為矩形斷面(5600mm×3000mm)，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護形式。設(shè)計留巷長度為850m，留巷施工位置如圖1所示。

N1-1502工作面?zhèn)雾斢赡鄮r和粉砂巖組成，平均厚度0.5m；直接頂為中砂巖，平均厚度4.8m；基本頂由細砂巖、泥巖、中砂巖組成，平均厚度26.7m；煤層底板為厚2.7m的砂質(zhì)泥巖。N1-1502工作面頂?shù)装遒x存情況如圖2所示，工作面煤巖樣物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 曉楠礦煤巖樣物理力學(xué)性質(zhì)

2 切頂成巷技術(shù)方案

2.1 切頂成巷工藝流程

切頂成巷施工流程如圖3所示，按施工時間順序可歸納為“支、切、護、撤”四步：第一步，工作面回采前對巷道頂板進行補強加固支護；第二步，對巷道頂板實施定向預(yù)裂(回采前)，切斷巷道頂板與工作面頂板的整體性；第三步，工作面回采過后，及時實施擋矸支護和留巷段頂板臨時控頂支護；第四步，待留巷巷道圍巖穩(wěn)定后回撤臨時控頂支護，完成留巷。

2.2 切頂成巷方案

切頂參數(shù)。切頂高度與采高、頂板下沉量及底鼓量有關(guān)，通過如下公式[24]確定：

式中，HC為采高，m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；k為碎脹系數(shù)，1.3～1.5。

結(jié)合曉南礦實測經(jīng)驗，采空區(qū)冒落矸石碎脹系數(shù)取1.35，煤厚變化不大，不考慮底鼓及頂板下沉，工作面采高HC為1.4m時，計算得HF=4m。如圖4(a)所示，留巷巷道為半煤巖巷道，煤層位于巷道中部，已揭露的0.7m厚頂板巖層會在工作面推采過后冒落充填采空區(qū)，考慮該部分頂板高度，綜合理論計算和施工因素，將預(yù)裂切縫孔深度設(shè)計為HF=3.5m。切縫孔布置在距回采幫200mm處，與鉛垂線成15°夾角，切縫孔間距500mm。

頂板補強支護方案。結(jié)合巷道原支護形式和參數(shù)，通過布設(shè)2列恒阻錨索對頂板加強支護，為使恒阻錨索在留巷的過程中發(fā)揮較好的懸吊作用，同時避免切頂爆破時對錨固端產(chǎn)生損傷，設(shè)計恒阻錨索長度較切頂高度增加1～2m，錨固端位于較穩(wěn)定巖層內(nèi)，恒阻錨索設(shè)計為?21.8mm×5200mm。第1列恒阻錨索距回采幫600mm，排距900mm；第2列恒阻錨索距回采幫1500mm，排距1800mm。最終形成恒阻錨索與普通錨索交叉布置的“3-2”支護形式，如圖4所示。

架后臨時支護方案。工作面推采過后，采空區(qū)頂板在礦山壓力作用下垮落，對留巷頂板產(chǎn)生“拉拽”作用，需采取臨時控頂支護措施控制成巷段頂板彎曲下沉。如圖5所示，架后頂板臨時支護采用4列單體，切縫側(cè)布置3列，第1列距碎石幫600mm，間距900mm；非回采幫側(cè)布置1列，距幫1200mm；單體排距900mm，同排單體通過π型鋼搭接。此外，通過U型鋼搭接配合鋼筋網(wǎng)阻隔采空區(qū)矸石。

3 礦壓規(guī)律實測

3.1 礦壓監(jiān)測方案

在N1-1502運輸巷道布設(shè)10個測站，自留巷起始點，前100m內(nèi)按20m間隔布置，100～300m內(nèi)按50m間隔布置，測站布設(shè)及監(jiān)測內(nèi)容如圖6所示。

3.2 恒阻錨索受力監(jiān)測分析

考慮監(jiān)測過程中數(shù)據(jù)的完整性，選取3#、5#兩測站分析恒阻錨索受力規(guī)律，如圖7所示。從巷道頂板預(yù)裂切縫至留巷完成全過程中，恒阻錨索受力劃分為四個階段，即超前未影響段(>超前30m)、應(yīng)力快速增加段、應(yīng)力緩慢增加段、受力穩(wěn)定段。

超前工作面30m開始，恒阻錨索受力在超前支承壓力作用下開始增大。工作面推采產(chǎn)生的超前支承壓力作用于巷道頂板，頂板彎曲下沉導(dǎo)致錨索受力增加。由于N1-1502工作面頂板巖層較完整，而且預(yù)裂切縫切斷了基本頂以內(nèi)的頂板應(yīng)力傳遞，因此，在超前工作面30m～20m范圍內(nèi)，恒阻錨索受力增加緩慢。

進入超前工作面20m范圍內(nèi)后，隨著超前支承壓力接近峰值，恒阻錨索受力增加明顯；工作面推采過后，頂板巖層逐漸達到其最大撓曲變形后發(fā)生斷裂，采空區(qū)頂板垮落，恒阻錨索受力突增，此時恒阻錨索受力超過其恒阻值，恒阻體在套筒內(nèi)滑移，恒阻錨索變形。

在滯后工作面100m，采空區(qū)頂板冒落后碎脹充填原煤層空間，采空區(qū)上方頂板彎曲下沉的空間減小，充分碎脹的矸石對頂板巖層產(chǎn)生支撐作用。隨著矸石的逐漸壓實，采空區(qū)側(cè)支承壓力開始緩慢增加，恒阻錨索受力也進入緩慢增加階段。

在滯后工作面220m左右，采空區(qū)矸石壓實，頂板巖層變形趨于穩(wěn)定，恒阻錨索受力開始趨于穩(wěn)定。

3.3 圍巖變形規(guī)律

巷道圍巖變形監(jiān)測包括切縫側(cè)、巷道中部、未切縫側(cè)的頂?shù)装遄冃瘟考白冃嗡俾省?/p>

3#測站巷道切縫側(cè)、巷道中部及實體煤側(cè)的頂板下沉量和下沉速率監(jiān)測曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，頂板變形主要可以分為四個階段：工作面后0～15m，頂板下沉速率3～5mm/d，屬于緩慢下沉階段，此階段偽頂冒落，直接頂未全部垮落；架后15～67m，直接頂垮落過程中對巷道頂板產(chǎn)生“拉拽”，頂板下沉速率5～10mm/d，屬于快速下沉階段；架后67～108m，采空區(qū)矸石碎脹，對頂板產(chǎn)生一定支撐作用，頂板下沉速率3～5mm/d，屬于緩慢下沉階段；滯后工作面距離大于108m，采空區(qū)矸石逐漸壓實，頂板下沉速率0～3mm/d，頂板趨于穩(wěn)定。

3#測站巷道切縫側(cè)、巷道中部及實體煤側(cè)的底鼓量和底鼓速率監(jiān)測曲線如圖9所示。從圖9中可以得到該測站的底板運動規(guī)律：架后0～47m，底鼓速率3～10mm/d，屬于緩慢底鼓階段；架后47～80m，底鼓速率大于10mm/d，屬于快速底鼓階段；架后80～278m，底鼓速率3～10mm/d，屬于緩慢底鼓階段；滯后工作面距離大于278m，底鼓速率0～3mm/d，底板變形趨于穩(wěn)定。

4 工程應(yīng)用效果

曉南礦N1-1502工作面運輸巷自2019年11月30日開始留巷，至2020年7月成功留巷815m。綜合恒阻錨索受力及頂?shù)装遄冃伪O(jiān)測情況，確定在架后300m位置開始回撤臨時控頂支護。留巷段內(nèi)頂板下沉量較小，除局部破碎頂板下沉量達到238mm，頂板完整區(qū)段下沉量均控制在200mm以內(nèi)。其中，切縫側(cè)頂板平均下沉量142mm，巷道中部頂板平均下沉量145mm，未切縫側(cè)頂板平均下沉量111mm。碎石幫無明顯側(cè)鼓現(xiàn)象，實體煤幫無明顯片幫現(xiàn)象，滿足設(shè)計、安全和使用要求，取得了較好的應(yīng)用效果。

此外，曉南礦應(yīng)用“110工法”后少掘進一條巷道，在減少掘進工程量及降低職工勞動強度的同時，有效縮短了接續(xù)時間，曉南礦掘進隊伍少、接續(xù)緊張的問題得到了極大的緩解。

5 結(jié) 論

1)提出了適用于曉南礦薄煤層半煤巖巷道的切頂成巷技術(shù)方案，包括考慮揭露煤層頂板的切頂關(guān)鍵參數(shù)、恒阻錨索補強支護方案及架后臨時支護方案，成巷效果良好。

2)制定了巷道礦壓監(jiān)測方案，根據(jù)恒阻錨索受力變化及巷道圍巖變形規(guī)律，確定頂板臨時支護回撤時間為架后300m。

3)恒阻錨索受力和留巷巷道頂?shù)装遄冃尉尸F(xiàn)階段性特征，均呈現(xiàn)緩慢-快速-緩慢-穩(wěn)定的變化趨勢。