大斗溝煤礦無(wú)煤柱切頂留巷支護(hù)技術(shù)研究

蔣志磊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 大斗溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037001）

0 引 言

在工作面開(kāi)采過(guò)程中，留設(shè)區(qū)段煤柱以保持巷道穩(wěn)定性是經(jīng)常會(huì)采取的措施，但也導(dǎo)致了煤炭資源大量浪費(fèi)以及煤柱失穩(wěn)引起的生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題。切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)具備掘進(jìn)量低和資源回采率高等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)切頂方式釋放采空區(qū)頂板壓力，釋放采空區(qū)頂板積聚的能量，破壞頂板應(yīng)力傳遞條件，提高工作面頂板狀態(tài)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采。然而，在無(wú)煤柱開(kāi)采過(guò)程中，巷道維護(hù)難度大，切頂沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性控制是現(xiàn)場(chǎng)必須解決的問(wèn)題，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的無(wú)煤柱切頂留巷支護(hù)方案是井下安全生產(chǎn)的重要保障。

本文以大斗溝煤礦8306 工作面2306 巷為研究背景，對(duì)無(wú)煤柱切頂留巷理論進(jìn)行整理分析，設(shè)計(jì)無(wú)煤柱切頂沿空留巷支護(hù)方案，并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確保煤礦安全開(kāi)采。

1 工程概況

大斗溝井田位于在山西大同煤田向斜中段的東南側(cè)，地質(zhì)走向?yàn)槲鞅毕颍瑸橹械鹊刭|(zhì)復(fù)雜構(gòu)造程度?？刹擅簩訛?、3、11、14 號(hào)煤層，其中2 號(hào)煤層為最主要開(kāi)采煤層，煤層厚度2.1～3.0 m，煤層傾角2°～6°，平均埋深490 m，屬于全區(qū)穩(wěn)定可采的中厚煤層。根據(jù)鉆孔資料可知，2 號(hào)煤層直接頂平均厚度為9.5 m，灰色細(xì)砂巖，局部夾中粗砂巖、泥巖、層狀結(jié)構(gòu)；老頂平均厚15.5 m，灰白色中粗砂巖為主，局部夾雜泥質(zhì)結(jié)構(gòu)；直接底為均厚10.5 m 的泥質(zhì)粉砂巖；老底為粉砂巖，平均厚度6.6 m。

8306 綜采工作面位于三盤區(qū)東部，可采走向長(zhǎng)度1 862 m，傾向長(zhǎng)度180 m。為減少煤炭資源浪費(fèi)，消除煤柱失穩(wěn)對(duì)地表沉陷影響，8306 工作面決定采用無(wú)煤柱采煤法，形成兩條巷道進(jìn)風(fēng)，一條巷道回風(fēng)的Y 型通風(fēng)系統(tǒng)。工作面順槽巷道設(shè)計(jì)規(guī)格為5.5 m×3.6 m，矩形斷面，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式，巷道切頂預(yù)裂前，在切頂側(cè)完成補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)。

2 無(wú)煤柱切頂沿空留巷支護(hù)方案

無(wú)煤柱切頂卸壓沿空留巷技術(shù)是指通過(guò)定向頂板預(yù)裂技術(shù)將巷道采空區(qū)側(cè)頂板借助周期來(lái)壓作用對(duì)關(guān)鍵裂隙進(jìn)行預(yù)先切斷，并使切落的頂板隨支架移動(dòng)而及時(shí)垮落充填采空區(qū)，形成對(duì)上覆巖層的支撐結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到減小懸頂面積、優(yōu)化頂板結(jié)構(gòu)、減小巷道圍巖壓力的目的，維持巷道良好的圍巖狀況以便下一工作面回采時(shí)重復(fù)利用。

然而，受重復(fù)采動(dòng)影響，無(wú)煤柱沿空留巷具有明顯的巷道變形破壞階段特征。通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)煤柱切頂開(kāi)采期間，沿空留巷受到兩側(cè)工作面開(kāi)采的影響，根據(jù)影響時(shí)間及劇烈程度的不同，巷道變形破壞表現(xiàn)可分為超前切頂階段、一次采動(dòng)影響階段、巷道穩(wěn)定階段及二次采動(dòng)影響階段。不同階段的巷道表現(xiàn)出不同的破壞特征。

因此，實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱切頂卸壓沿空留巷圍巖穩(wěn)定，既要保證充分切頂，破壞頂板應(yīng)力傳播條件，降低巷道頂板壓力；也要關(guān)注巷道支護(hù)方案的匹配性和特殊性，制定與地下條件、切頂留巷方案相適應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)巷道支護(hù)對(duì)策，保持巷道圍巖受多次采動(dòng)影響的穩(wěn)定。

根據(jù)大斗溝煤礦8306 工作面實(shí)際情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)無(wú)煤柱切頂卸壓沿空留巷支護(hù)方案，包括補(bǔ)強(qiáng)錨索施工、預(yù)裂切縫施工、擋矸支護(hù)施工以及臨時(shí)支護(hù)施工。

8306 工作面補(bǔ)強(qiáng)錨索采用直徑為21.8 mm 的鋼絞線，將3 支MSZ2360 型樹(shù)脂錨固劑逐條裝入錨索眼內(nèi)并充分?jǐn)嚢瑁^固劑錨固錨索，之后安裝規(guī)格為3 400 mm×250 mm×3 mm 的鋼帶和規(guī)格為250 mm×250 mm×16 mm 的錨索托盤，錨固長(zhǎng)度不小于1.2 m，預(yù)緊力不小于290 kN，錨固力不小于520 kN。

根據(jù)8306 工作面頂板巖性，預(yù)裂切縫施工切頂孔深9.1～9.6 m，預(yù)裂孔與鉛垂線成15°夾角，向工作面?zhèn)葍A斜，孔間距0.35～0.4 m，安裝4 根半聚能管，裝藥結(jié)構(gòu)為5+4+3+3+1，采用機(jī)制炮泥進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度2.4～2.9 m。

架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)的擋矸支護(hù)采用“單體液壓支柱+29U 型鋼+菱形金屬網(wǎng)”的形式進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。擋矸支護(hù)安裝完成后，須立即進(jìn)行該斷面巷道的臨時(shí)支護(hù)施工，在巷內(nèi)安裝單體液壓支柱，頂板不平整時(shí)使用木板或其他材料將頂梁與頂板之間的空隙填滿，并根據(jù)架后距離和頂板是否破碎判斷是否回撤。

8306 工作面2306 巷道頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1 和表2，設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)Fig.1 Design of bolt-mesh-anchor combined support for reinforced support section

表1 8306 工作面2306 巷道頂板錨桿支護(hù)參數(shù)Table 1 Roof bolt support parameters in 2306 roadway of No.8306 Face

表2 8306 工作面2306 巷道頂板錨索支護(hù)參數(shù)Table 2 Roof anchor cable support parameters in 2306 roadway of No.8306 Face

3 數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 數(shù)值模擬分析

將提出的無(wú)煤柱切頂卸壓沿空留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案進(jìn)行應(yīng)用和效果評(píng)估，采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，驗(yàn)證補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性。根據(jù)8306 工作面2306 巷道圍巖地質(zhì)條件，基于工作面內(nèi)地質(zhì)鉆孔柱狀圖揭露的地層分布，建立數(shù)值計(jì)算物理模型，并沿巷道走向方向布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

巷道開(kāi)挖后，巷道圍巖水平位移云圖、垂直位移云圖、圍巖垂直應(yīng)力以及塑性區(qū)演化圖分別如圖2～圖5 所示。

圖2 圍巖水平位移Fig.2 Horizontal displacement of surrounding rock

圖3 圍巖垂直位移Fig.3 Vertical displacement of surrounding rock

圖4 圍巖垂直應(yīng)力Fig.4 Vertical stress of surrounding rock

圖5 圍巖塑性區(qū)Fig.5 Plastic zone of surrounding rock

由圖可知，巷道兩幫最大水平位移4.35 mm，最大水平位移位于巷道兩幫中部；頂板下沉量為7.00～8.38 mm，底板底鼓量為3.00～3.65 mm，最大垂直位移位于巷道頂板中央，底板底鼓量較為均勻，基本處于3.50 mm 左右；巷道兩幫呈現(xiàn)出應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力達(dá)到7.11 MPa；頂?shù)装宕怪睉?yīng)力較低；巷道圍巖平均塑性區(qū)深度1.0 m，圍巖破壞范圍較小。通過(guò)分析，錨桿索受力均在合理承受范圍內(nèi)，未出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證無(wú)煤柱切頂留巷支護(hù)方案的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，在巷道的頂板、底板和兩幫各布置1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)十字布點(diǎn)法對(duì)巷道圍巖的位移量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析其移動(dòng)變化規(guī)律，監(jiān)測(cè)斷面的巷道圍巖位移變化量如圖6 所示。

圖6 巷道變形曲線Fig.6 Roadway deformation curve

由圖6 所示，頂?shù)装逡七M(jìn)量和兩幫移進(jìn)量在前52 d 觀測(cè)時(shí)間內(nèi)步調(diào)一致，穩(wěn)步上升，之后頂?shù)装逡平垦杆僭黾硬⒃诘?0 天左右升至最大值24 mm，之后趨于穩(wěn)定，而兩幫移進(jìn)量在第80 天左右趨于穩(wěn)定，保持在21 mm，均在合理安全范圍內(nèi)。因此，實(shí)踐表明無(wú)煤柱切頂留巷支護(hù)技術(shù)方案在大斗溝煤礦8306 工作面應(yīng)用效果良好，圍巖得到有效控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以大斗溝煤礦8306 工作面無(wú)煤柱開(kāi)采為研究背景，通過(guò)分析無(wú)煤柱切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，結(jié)合頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)特性，確定8306 工作面無(wú)煤柱切頂卸壓沿空留巷支護(hù)方案。采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)支護(hù)方案評(píng)估分析，數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道開(kāi)挖后短時(shí)間內(nèi)兩幫最大水平位移為4.35 mm，頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為12.03 mm。由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，巷道兩幫移進(jìn)量穩(wěn)定在21 mm，頂?shù)装逡七M(jìn)量穩(wěn)定在24 mm，均在可接受范圍內(nèi)，無(wú)煤柱切頂卸壓沿空留巷支護(hù)方案效果良好。