8501 工作面沿空留巷技術(shù)研究及應(yīng)用

紀(jì)鵬偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037016）

1 地質(zhì)概況

晉華宮礦7-1#煤層整體呈向斜構(gòu)造，煤層走向東部近東西向，傾向近東，西部近南北向，傾向西部近南，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。305 盤區(qū)8501 工作面為首采工作面，可采走向長(zhǎng)度903 m，傾向長(zhǎng)度203.8 m，采高3 m，煤層厚1.70～2.95 m，平均2.11 m，煤層傾斜角度為1°～15°，平均7°，局部含有1層矸石，厚度為0.55 m?；卷斒?.38 m 厚的灰色粉砂巖，直接頂是3.18 m厚的深灰色砂質(zhì)泥巖，直接底是0.52 m 厚的黑灰色砂質(zhì)泥巖，基本底是1.87 m 厚的灰色細(xì)砂巖。工作面順槽沿煤層頂板方向掘進(jìn)。為了提高礦井煤炭資源回收率，解決采掘不連續(xù)問題，在8501 工作面進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷[1-3]。

2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

2.1 預(yù)裂切頂高度計(jì)算

在工作面回采完后，煤層的直接頂會(huì)率先出現(xiàn)離層和垮落，失去與沿空留巷的力學(xué)聯(lián)系，加上基本頂在留巷一側(cè)有一段長(zhǎng)距離的懸頂，會(huì)支撐起整個(gè)上覆巖層，使沿空留巷的附加應(yīng)力增加，造成留巷支護(hù)比較困難[4]。通過(guò)預(yù)裂爆破技術(shù)可以有效縮短基本頂?shù)膽冶坶L(zhǎng)度，將整個(gè)巖層的斷裂線進(jìn)行轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移到采空區(qū)一側(cè)，緩解巷道的圍巖應(yīng)力。同時(shí)，利用切頂后巖石垮落碎脹，采空區(qū)內(nèi)被垮落的巖石充滿，給上覆巖層產(chǎn)生更好的支撐，從而減緩頂板回轉(zhuǎn)下沉對(duì)沿空留巷造成的影響。切頂高度示意圖如圖1。

圖1 切頂高度示意圖

預(yù)裂切頂高度計(jì)算公式為：

式中：HQ為預(yù)裂切頂高度，m；M為煤層厚度，m；Hi為巖層厚度，m；KP為巖石平均碎脹系數(shù)，一般取1.3～1.5。

在切頂范圍內(nèi)，砂質(zhì)泥巖的厚度為3.18 m，粉砂巖的厚度為5.38 m，得出泥巖占比為37%，砂巖占比為63%。根據(jù)加權(quán)平均計(jì)算方法，得到頂板垮落巖石碎脹系數(shù)為1.34。由于煤層的厚度變化較小，因此在計(jì)算時(shí)，忽略頂板的下沉量及底鼓量，工作面的采高為3.0 m，可計(jì)算出預(yù)裂切縫高度為8.8 m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，參考相關(guān)理論分析，確定最終的預(yù)裂切縫高度為9.0 m。

2.2 切頂角度計(jì)算

隨著工作面不斷推進(jìn)，基本頂達(dá)到最大距離后會(huì)出現(xiàn)極限斷裂。在水平壓力的作用下，頂板的破碎巖塊相互嚙合，形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在基本頂端頭斷裂處會(huì)形成一個(gè)弧形的三角塊體，構(gòu)成一個(gè)三鉸拱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。由于這些穩(wěn)定的砌體結(jié)構(gòu)，基本頂還可以繼續(xù)向煤層巖體傳遞應(yīng)力，對(duì)沿空留巷圍巖的穩(wěn)定造成影響。在采用切頂卸壓自成巷技術(shù)時(shí)，斷裂的切縫面會(huì)形成一個(gè)咬合面，其圍巖結(jié)構(gòu)如圖2。只有當(dāng)關(guān)鍵塊B 沿著切縫面逐漸滑落到失去穩(wěn)定時(shí)，才能確?；卷攺氐卓迓?，同時(shí)傳遞應(yīng)力路徑被切斷。

圖2 切頂卸壓自成巷圍巖結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際開采效果分析，當(dāng)切縫角度較大時(shí)，在影響頂板垮落的同時(shí)還會(huì)影響應(yīng)力集中分布情況。因此，要選擇合適的切縫角，便于頂板垮落，同時(shí)合理分布采場(chǎng)應(yīng)力。通過(guò)理論和實(shí)際分析，最終確定最佳切縫角為15°，且在切縫孔間距為500 mm 時(shí)，預(yù)裂切頂成縫的效果最好。

3 沿空留巷技術(shù)方案

通過(guò)預(yù)裂切頂成縫技術(shù)，可以在一定范圍內(nèi)分隔出工作面頂板和巷道頂板，以此切斷通過(guò)巷道頂板傳遞應(yīng)力的路徑，較好地保留沿空留巷頂板的完整性。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，留巷在采動(dòng)壓力的影響下會(huì)出現(xiàn)變形，采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，有效地控制底板下沉，最大限度地發(fā)揮巷道圍巖自身的承載壓力，減少巷道圍巖變形，確保沿空留巷的效果。

3.1 錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

對(duì)巷道頂板采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，將錨索布置在切縫一側(cè)，每米補(bǔ)打1～3根錨索。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合原有支護(hù)形式及相關(guān)支護(hù)參數(shù)，使用直徑21.8 mm、長(zhǎng)度12 000 mm 錨索，預(yù)緊力20 t 以上。在與頂板垂直方向上共布置3 列錨索，其中第1 列錨索與留巷正幫的間排距為500 mm×1000 mm，第2 列錨索與留巷正幫的間排距為1500 mm×3000 mm，第3 列錨索與留巷副幫的間排距為1500 mm×3000 mm。第1 列錨索與其相鄰錨索之間使用W 型鋼帶連接，W 型鋼帶的尺寸規(guī)格為2.4 m×280 mm×4 mm，眼距為1 m，鋼帶與巷道走向平行。切巷正對(duì)部分的端錨補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)約為巷道寬度的三倍，取12 m，排距調(diào)整為1 m。錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圖如圖3。

圖3 錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圖（mm）

3.2 臨時(shí)支護(hù)

在工作面開采過(guò)程中，由于巷道在不同位置受到的采動(dòng)壓力影響有大有小，隨著工作面不斷推進(jìn)，頂板會(huì)出現(xiàn)垮落。對(duì)離工作面距離較小的架后段進(jìn)行臨時(shí)頂板支護(hù)和擋矸支護(hù)，在離工作面距離較大時(shí)，由于受采動(dòng)壓力的影響較小，頂板逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)可以撤掉臨時(shí)支護(hù)，只進(jìn)行擋矸支護(hù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，將工作面劃分為工作面前0～30 m 的超前支護(hù)區(qū)段、架后0～200 m 的架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)段和架后200 m 后的成巷穩(wěn)定區(qū)段三個(gè)區(qū)段，根據(jù)不同的區(qū)段分別采取不同的支護(hù)措施。

3.2.1 超前支護(hù)區(qū)段

超前支護(hù)區(qū)位于工作面超前采動(dòng)區(qū)，受超前壓力的影響較大，因而需要進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)工作面現(xiàn)有支護(hù)設(shè)備及條件，采用單體液壓支柱+“π”型梁聯(lián)合支護(hù)方式。其中單體液壓支柱采用一梁四柱的方式垂直于巷道布置，第一排超前單體液壓支柱距離切頂線600 mm，其余的三排超前單體液壓支柱距離正幫的距離分別為1000 mm、1300 mm、1000 mm，每一排單體液壓支柱的排距為1000 mm；π 梁之間的單體液壓支柱通過(guò)硬連接裝置連接。由于轉(zhuǎn)載機(jī)在推移過(guò)程中會(huì)影響中間一排單體液壓支柱，因此，在轉(zhuǎn)載機(jī)推移過(guò)程中可以先適當(dāng)調(diào)整中間點(diǎn)柱的位置，待推移作業(yè)完成后再將中間點(diǎn)柱調(diào)整到指定位置。具體的巷道支護(hù)斷面如圖4。

圖4 超前支護(hù)區(qū)支護(hù)斷面設(shè)計(jì)（mm）

3.2.2 架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)段

架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)位于工作面超后影響區(qū)。由于采空區(qū)頂板巖層垮落后，會(huì)與巷道頂板產(chǎn)生摩擦，在采動(dòng)壓力影響下，頂板的壓力較大，因此，對(duì)此段巷道頂板進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)工作面現(xiàn)有支護(hù)設(shè)備及條件，采用單體液壓支柱+“π”型梁聯(lián)合支護(hù)方式。

在靠近古塘側(cè)先架設(shè)一排單體支柱，與切縫線的距離為500 mm，排距為500 mm，暫不回收。再采用一梁四柱架設(shè)單體支柱，每排布置4 根單體液壓支柱，排距為1000 mm。其中第一排單體液壓支柱與切縫線的距離為1300 mm，其余三根單體液壓支柱與正幫的距離分別為2100 mm、2900 mm 和3900 mm。為了防止矸石混入采空區(qū)內(nèi)，采用單體液壓支柱+可伸縮U 型鋼+鋼筋網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行臨時(shí)擋矸支護(hù)。具體的巷道支護(hù)斷面如圖5。

圖5 架后臨時(shí)支護(hù)斷面設(shè)計(jì)（mm）

3.2.3 成巷穩(wěn)定區(qū)段

在工作面成巷穩(wěn)定區(qū)，根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)頂?shù)装宓奈灰屏亢湾^索受力逐漸穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為頂板的狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)巷道受采動(dòng)影響較小，因而可以將頂板支護(hù)回撤，只保留擋矸支護(hù)，采用可伸縮U 型鋼支護(hù)方式。具體的巷道支護(hù)斷面如圖6。

圖6 成巷穩(wěn)定區(qū)支護(hù)斷面設(shè)計(jì)（mm）

4 效果分析

在采用切頂卸壓沿空留巷開采技術(shù)后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巷道變形及受力情況。留巷起始位置每間隔50 m布置一個(gè)觀測(cè)站，共布置19 個(gè)觀測(cè)站，主要監(jiān)測(cè)錨索補(bǔ)強(qiáng)和單體液壓支柱的受力變形情況。柔性探測(cè)單元至少超前工作面100 m。通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出，工作面中部的來(lái)壓強(qiáng)度最高，其液壓支架承受的最大工作阻力為41.11 MPa；未切縫一側(cè)的來(lái)壓強(qiáng)度相對(duì)中部來(lái)壓強(qiáng)度有所降低，液壓支架承受的最大工作阻力為40.07 MPa；切縫一側(cè)的來(lái)壓強(qiáng)度最小，液壓支架承受的最大工作阻力為35.5 MPa，比未切縫一側(cè)約減小12. 8%；切頂沿空留巷技術(shù)的卸壓效果較好，可以有效降低來(lái)壓強(qiáng)度。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)晉華宮礦8501 工作面的工程地質(zhì)條件，結(jié)合沿空留巷技術(shù)原理，確定合理的預(yù)裂切頂高度為9.0 m，切頂角度為15°。

（2）對(duì)巷道不同分區(qū)段進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在采用切頂沿空留巷技術(shù)后，切縫一側(cè)的來(lái)壓強(qiáng)度最小，液壓支架承受的最大工作阻力為35.5 MPa，比未切縫一側(cè)約減小12. 8%，切頂沿空留巷技術(shù)的卸壓效果較好，可以有效降低來(lái)壓強(qiáng)度。