沿空留巷技術(shù)在軟巖頂?shù)装迕簩又械膽?yīng)用

徐貴陽，李春旺，周杰民

（1.山西古縣老母坡煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000；2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；3.礦井水害探測與防控國家礦山安全監(jiān)察局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000；4.礦井物探河北省工程研究中心，河北 邢臺(tái) 054000）

2000 年至今，沿空留巷得利于巷道支護(hù)技術(shù)和裝備的巨大進(jìn)步，隨著錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)得到了較好的發(fā)展，巷旁膏體充填的成熟，圍巖控制效果較好。老母坡煤業(yè)2 號(hào)煤層、3 號(hào)煤層均采用了無煤柱連續(xù)開采，經(jīng)濟(jì)效益顯著。現(xiàn)老母坡礦主要開采5 號(hào)煤層，煤層頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度低，且較為破碎，對(duì)沿空留巷應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。

1 概 況

老母坡礦5101 工作面5 號(hào)煤位于太原組上段，上距3 號(hào)煤層26.73 ～38.60 m，平均30.44 m，煤層厚度0.60 ~ 1.55 m，平均0.93 m，一般不含夾矸，僅在4002 號(hào)鉆孔中含1 層夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，為較穩(wěn)定大部可采煤層。頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，平均4.10 m。底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度為2.20~3.92 m，平均3.10 m。頂?shù)装鍨槎鄬榆浫鯉r層復(fù)合，采掘時(shí)易造成破碎情況，不易管理。5101 綜采工作面位于+880 水平一采區(qū)東北部，東為礦井邊界保安煤柱，西為采區(qū)機(jī)軌合一上山及回風(fēng)上山，南為5103 工作面，北為礦井保安煤柱。5101 工作面上、下順槽均長1 169 m，切眼長145 m，工作面煤層底板標(biāo)高+875—+915 m。

2 無墻體沿空留巷結(jié)構(gòu)模型及切頂支架設(shè)計(jì)

沿空留巷上覆圍巖分布情況探測和巷旁切頂組合支架設(shè)計(jì)對(duì)于無墻體沿空留巷的成功實(shí)施具有很大影響，所以開展沿空留巷頂板裂隙情況探查、圍巖力學(xué)性質(zhì)及支護(hù)材料力學(xué)性能測試非常重要，在了解圍巖和支護(hù)材料力學(xué)性能情況的前提下，進(jìn)行無墻體沿空留巷巷旁切頂組合支架的設(shè)計(jì)。

2.1 無墻體沿空留巷結(jié)構(gòu)模型

無墻體沿空留巷結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示，隨著工作面的回采，采空區(qū)上覆巖層垮落，并隨著上覆巖層逐漸下沉，采空區(qū)矸石逐漸壓實(shí)，與沿空留巷上方基本頂破斷后的巖塊，在工作面的走向方向形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，在工作面端頭上方破斷形成的巖塊稱為弧形三角塊，沿空留巷處于弧形三角塊的下方。隨著工作面的逐漸推進(jìn)，上覆巖層不斷破斷，結(jié)構(gòu)從失穩(wěn)到穩(wěn)定，再失穩(wěn)再穩(wěn)定，采空區(qū)矸石不斷壓實(shí)，提供支撐阻力給上覆巖層，留巷上方巖層通過下部直接頂與巷道傳遞應(yīng)力，所以可以看出，上覆巖層垮落后的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)很大程度上取決于上覆基本頂?shù)臄嗔亚闆r，如長度、回轉(zhuǎn)下沉的角度等。

圖1 無墻體沿空留巷結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of gob-side entry retaining without wall

2.2 無墻體沿空留巷巷旁切頂組合支架設(shè)計(jì)

通過將工字鋼和單體支柱組合使用，巷道幫壁具有強(qiáng)力切頂、高阻讓壓、主動(dòng)支撐的能力，及時(shí)使側(cè)向頂板巖層沿組合支架的外側(cè)斷裂，巷旁切頂組合支架設(shè)計(jì)是在巷道采空區(qū)一側(cè)，沿巷道走向布置由工字鋼與單體液壓支柱，頂端由十字鉸接頂梁連接，底端由特制鐵鞋連接來增加底板的受力面積防止支柱鉆底，組合切頂支架布置如圖2 所示。

圖2 組合切頂支架布置示意Fig.2 Layout of combined roof cutting support

3 沿空留巷支護(hù)方案和參數(shù)

3.1 頂板注漿加固

由于5 號(hào)煤層頂板節(jié)理發(fā)育，頂板破碎，采用SKZ22-1/1860 型中空注漿礦用錨索注漿加固頂板，如圖3 所示。為防止頂板裂隙及錨桿、錨索孔內(nèi)漏漿，注漿前對(duì)巷道頂板進(jìn)行噴漿，厚度50 mm，要求噴嚴(yán)噴實(shí)。

圖3 工作面下順錨索注漿示意Fig.3 Anchor rope grouting of lower gateway in working face

3.2 切頂卸壓

為阻斷5101 工作面動(dòng)壓對(duì)沿空留巷及采空影響，留巷前在5101 下順槽采用爆破預(yù)裂切頂卸壓。即對(duì)下順槽沿空巷道頂板實(shí)施超前預(yù)裂，在采場頂板周期來壓作用下，采空區(qū)頂板沿著預(yù)裂面在巷旁切落，形成對(duì)上覆基本頂巖梁的支撐結(jié)構(gòu)，達(dá)到減小沿空巷道圍巖壓力的目的。切頂卸壓平面圖如圖4 所示。

圖4 5101 工作面下順槽切頂卸壓平面圖Fig.4 Roof cutting pressure relief plan of lower gateway in No.5101 Face

3.3 沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

（1） 采用φ22 mm×4 200 mm 的專用注漿錨索，間排距1 800 mm×1 000 mm（與錨桿、索排距一致），每排1 根，為“三花眼”布置；靠回采側(cè)注漿孔垂直向上90°布眼，靠非回采側(cè)注漿孔向非采側(cè)外扎20°布眼；鉆孔直徑32 mm，孔深4 000 mm；每孔使用1 條CK2335 和1 條Z2350 的錨固劑。

（2） 錨固后采用特制鋼管將止?jié){塞送入孔內(nèi)防止漏漿，然后進(jìn)行注漿，水灰比：1～2。每袋水泥加入添加劑4～5 kg。注漿壓力達(dá)到2.5 MPa 時(shí)停止注漿，完成后采用塑料蓋封孔。

（3） 注漿12 h 后選用250 mm×250 mm×12 mm 的鋼板作為錨索托盤，并加設(shè)100 mm×100 mm×8 mm 的蝶形托盤，對(duì)錨索進(jìn)行張拉，初張力不小于30 MPa。

5101 工作面下順槽巷道掘進(jìn)凈斷面設(shè)計(jì)為4.2×2.6 m。為了滿足工作面通風(fēng)要求，以及考慮留巷后圍巖移近量，留巷巷道斷面4.0×2.6 m，巷道穩(wěn)定后斷面不小于3.8×2.2 m。（巷道高度均為鉸接頂梁的下部距底板的距離） 如圖5 和圖6 分別為留巷斷面示意圖和頂板支護(hù)示意圖。

圖5 留巷斷面示意Fig.5 Retaining roadway section

圖6 頂板支護(hù)示意Fig.6 Roof support

4 沿空留巷效果分析

4.1 礦壓觀測

主要觀測內(nèi)容：①巷道表面位移，反映巷道表面位移的大小及巷道斷面縮小程度，判斷圍巖的運(yùn)動(dòng)是否超過其安全允許值，是否影響巷道的正常使用，具體包括頂板下沉量及下沉速度、底臌量及底臌速度、兩幫移近量及移近速度；②頂板錨固區(qū)內(nèi)、外的離層值，判斷頂板錨固區(qū)內(nèi)、外圍巖的穩(wěn)定性以及錨桿支護(hù)參數(shù)的合理性。

測點(diǎn)布置一般采用十字布點(diǎn)法，如圖7 所示。

圖7 十字布點(diǎn)法示意Fig.6 The method of arranging measuring points by cross

4.2 礦壓觀測分析

對(duì)5101 下順進(jìn)行測站布置及礦壓觀測，共布置測站5 個(gè)，1 號(hào)測站距離采煤工作面13.681 m，2 號(hào)測站距離采煤工作面43.233 m，3 號(hào)測站距離采煤工作面63.790 m，4 號(hào)測站距離采煤工作面83.831 m，5 號(hào)測站距離采煤工作面103.638 m，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 5101 下順巷道表面收斂圖Fig.8 Surface convergence of lo wer gateway in No.5101 Face

從圖8 中可以看出，巷道頂?shù)装寮皟蓭驮谙锏啦珊?0 d 內(nèi)的變形速度最快（每日掘進(jìn)約10 m，即距離工作面約100 m）。前10 d 兩幫變形量達(dá)到13 cm，頂?shù)装遄冃瘟窟_(dá)到8 cm，后期變形速度逐漸趨于平緩，說明無墻體沿空留巷旁切頂組合支架的設(shè)計(jì)滿足安全回采的要求。

4.3 應(yīng)用情況及效益

老母坡煤業(yè)自建礦以來，2 號(hào)煤層、3 號(hào)煤層均采用了無煤柱連續(xù)開采，已連續(xù)開采20 余個(gè)工作面，采取煤炭資源回收率達(dá)90%以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著?，F(xiàn)主要開采5 號(hào)煤層，綜合運(yùn)用理論分析、現(xiàn)場試驗(yàn)手段，進(jìn)行了5 號(hào)煤層圍巖力學(xué)性能評(píng)估，對(duì)支護(hù)方案及沿空留巷方案進(jìn)行了優(yōu)化，使得沿空留巷在軟巖頂?shù)装鍡l件下成功實(shí)施。老母坡整體巷道的支護(hù)材料支護(hù)規(guī)格，施工質(zhì)量均符合現(xiàn)代化標(biāo)準(zhǔn)礦井的施工規(guī)范。該項(xiàng)目的成功實(shí)施為類似地質(zhì)條件下沿空留巷應(yīng)用提供重要借鑒。截止2022 年，5 號(hào)煤層累計(jì)留巷3000 多米，多回收煤炭資源4 萬余t，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益近3 千萬元。

5 結(jié) 論

本文以老母坡煤業(yè)5101 工作面為例，通過對(duì)支護(hù)方案及沿空留巷方案的優(yōu)化得出以下結(jié)論。

（1） 對(duì)巷道錨桿、錨索支護(hù)及沿空留巷方案進(jìn)行了優(yōu)化，使得沿空留巷在軟巖頂?shù)装鍡l件下成功實(shí)施，提高留巷復(fù)用質(zhì)量。

（2） 通過實(shí)施沿空留巷技術(shù)，減少了1 條回采巷道，有效緩解了工作面接替緊張的問題，實(shí)現(xiàn)了“Y”型通風(fēng)，解決了工作面隅角瓦斯問題。