薄煤層切頂卸壓沿空留巷技術(shù)研究及應(yīng)用

劉 鵬

（金辛達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

沿空留巷技術(shù)因其可提高工作面煤炭資源回采率、掘進(jìn)工程量小、可有效緩解工作面采掘接替緊張局面等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在我國(guó)各大礦區(qū)得以廣泛應(yīng)用和發(fā)展[1-2]。如何確保沿空留巷效果及圍巖穩(wěn)定性成為學(xué)者專家關(guān)注的焦點(diǎn)問題。趙永平采用預(yù)應(yīng)力錨索超前支護(hù)及預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)確保了店坪煤礦沿空留巷成巷效果。張國(guó)輝和邢永基于對(duì)巷道圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析，提出定向預(yù)裂爆破技術(shù)切斷巷道與上覆圍巖之間的聯(lián)系，改善了留巷段圍巖條件?；谏鲜鲅芯砍晒?，針對(duì)金辛達(dá)煤礦202 薄煤層綜采工作面工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了202 工作面膠帶順槽切頂鉆孔關(guān)鍵參數(shù)，并采用分區(qū)支護(hù)方案有效控制了巷道圍巖變形。

1 工程概況

金辛達(dá)煤礦2 號(hào)煤層為現(xiàn)階段開采煤層。2 號(hào)煤層埋深150～350 m，平均埋深250 m；煤層厚度1.0～1.48 m，平均厚度1.24 m；煤層傾角2°～10°，平均傾角6°；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，偶含1～2 層夾矸，厚度約0.3～1.0 m，為賦存穩(wěn)定的全區(qū)可采薄煤層。202 工作面位于2 號(hào)煤層采區(qū)中部，南側(cè)為201 工作面采空區(qū)，北部為203 工作面實(shí)體煤，西部為2號(hào)煤層輔運(yùn)大巷，東部為井田邊界。2 號(hào)煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖和泥巖，基本頂為細(xì)粒砂巖，直接底為泥巖，基本底為粉砂巖。202 工作面膠帶順槽為半煤巖巷道，沿2 號(hào)煤頂板布置，斷面為矩形，凈寬5.0 m，凈高2.8 m。

2 切頂卸壓方案及主要技術(shù)參數(shù)

為保證沿空留巷效果，使巷道側(cè)向頂板沿預(yù)裂切縫被切斷，達(dá)到減弱和轉(zhuǎn)移巷道側(cè)向支承壓力[3]，設(shè)計(jì)采用雙向聚能預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行預(yù)裂切頂卸壓，即在預(yù)裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，使聚能方向?qū)?yīng)于巖體預(yù)裂方向，借助爆轟形成的聚能流所產(chǎn)生的張拉應(yīng)力，使預(yù)裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預(yù)裂面。

2.1 切頂炮孔角度

切頂炮孔角度α是指在巷道斷面上切頂炮孔與鉛垂方向上的夾角，合理的切頂炮孔角度是決定切頂后懸臂梁長(zhǎng)度、炮孔深度及裝藥量的關(guān)鍵參數(shù)[4]?；?02 工作面膠帶順槽工程地質(zhì)條件及鉆機(jī)施工條件，設(shè)計(jì)炮孔角度α=20°，切頂炮孔位置距巷道回采側(cè)幫100 mm。

2.2 切頂炮孔深度

預(yù)裂切縫孔深度一般取采高的2.6 倍。通過對(duì)201 膠帶順槽頂板預(yù)裂效果觀測(cè)，采煤工作面上巷口至采煤面下巷口方向15 m 范圍內(nèi)采高對(duì)頂板預(yù)裂效果影響較大。202 工作面平均采高1.6 m，但回采工作面下巷口15 m 范圍內(nèi)采高達(dá)到2.2 m，因此預(yù)裂切縫孔深度取6.5 m。202 工作面膠帶順槽切頂炮孔布置如圖1。

圖1 202 工作面膠帶順槽切頂炮孔布置參數(shù)圖（mm）

2.3 裝藥結(jié)構(gòu)

雙向聚能管采用特制聚能管，其外徑42 mm，內(nèi)徑36.5 mm，管長(zhǎng)1500 mm。聚能爆破采用礦用三級(jí)乳化炸藥，炸藥規(guī)格為Φ32 mm×300 mm/卷，爆破孔口用炮泥封孔，封孔長(zhǎng)度≥1.5 m。

3 切頂卸壓沿空留巷支護(hù)方案

3.1 巷道原支護(hù)方案

202 工作面膠帶順槽原支護(hù)方式為“錨網(wǎng)索+鋼帶”，頂板錨桿采用Φ20 mm×2200 mm 高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm；錨索采用Φ17.8 mm×6300 mm 鋼絞線，間排距為2000 mm×2000 mm。兩幫錨桿采用Φ20 mm×2200 mm 高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm。頂板及兩幫網(wǎng)片采用Φ5 mm 鋼筋焊接網(wǎng)，規(guī)格2100 mm×1100 mm；鋼帶采用4500 mm×300 mm×3 mm 型W 鋼帶。如圖2。

圖2 202 工作面膠帶順槽原支護(hù)斷面圖（mm）

3.2 切頂卸壓沿空留巷支護(hù)方案

3.2.1 恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)加固

為了控制頂板下沉，使所留巷道圍巖能夠最大限度發(fā)揮自身承載作用，減少巷道變形，保證切頂過程和回采期間周期來(lái)壓時(shí)巷道的穩(wěn)定性和留巷效果，設(shè)計(jì)采用恒阻大變形錨索對(duì)巷道頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。為充分發(fā)揮恒阻大變形錨索的支護(hù)性能，避免預(yù)裂爆破和頂板垮落對(duì)其造成的影響，恒阻大變形錨索長(zhǎng)度一般要超過預(yù)裂切縫爆破高度2 m，確保錨固端位于較穩(wěn)定巖層內(nèi)?？紤]到頂板巖層分布、巷道原有支護(hù)參數(shù)情況，恒阻大變形錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度選擇為8.8 m。具體支護(hù)參數(shù)為：恒阻大變形錨索選用Φ21.8 mm×8800 mm 的鋼絞線，垂直于巷道頂板布置，排距為1000 mm，每排布置一根，布設(shè)位置距回采側(cè)煤幫600 mm；施加的預(yù)緊力不小于280 kN；選用Φ79 mm×450 mm 的恒阻器實(shí)現(xiàn)恒阻，恒阻值為（30±2）t；相鄰兩根恒阻大變形錨索間采用規(guī)格為4500 mm×300 mm×3 mm 的W 型鋼帶進(jìn)行搭接；配套錨索托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm。如圖1。

3.2.2 留巷段分區(qū)支護(hù)方案

不同位置巷道在工作面推進(jìn)過程受到的采動(dòng)影響不同。超前工作面一定范圍內(nèi)受超前支承壓力的影響，巷道極易發(fā)生較大變形，甚至引發(fā)冒頂事故。隨著工作面開采，頂板開始垮落并逐漸穩(wěn)定，故在工作面架后一定范圍內(nèi)需要進(jìn)行頂板支護(hù)和采取擋矸措施。當(dāng)巷道滯后工作面一定范圍后，頂板變形基本趨于穩(wěn)定，形成新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，此時(shí)只需采取擋矸措施即可[5]?；谏鲜霾煌恢孟锏谰唧w情況，結(jié)合201 工作面沿空留巷現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將202 工作面留巷段劃分為三個(gè)區(qū)域分別制定針對(duì)性的支護(hù)方案，具體如下：

1）超前加強(qiáng)支護(hù)區(qū)（工作面前方20 m）：在切頂卸壓之前，采用“單體液壓支柱+工字鋼”的支護(hù)方式對(duì)工作面前方20 m 范圍內(nèi)202 工作面膠帶順槽進(jìn)行超前支護(hù)，其中單體液壓支柱排距為1000 mm，工字鋼采用長(zhǎng)度4 m 的11 號(hào)工字鋼。

2）架后臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)區(qū)（架后0～300 m）：采用“單體液壓支柱+π 型鋼梁”的聯(lián)合支護(hù)形式對(duì)工作面架后300 m 范圍進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，單體液壓支柱與π 型鋼梁采用“一梁四柱”的方式進(jìn)行布置，如圖3。

圖3 架后臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)斷面圖（mm）

為防止矸石進(jìn)入留巷區(qū)影響留巷效果，采用“29U 型鋼+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行擋矸支護(hù)。29U 型鋼每根長(zhǎng)2 m，排距為500 mm，每?jī)筛鶠橐唤M進(jìn)行搭接，采用兩組卡纜對(duì)搭接處進(jìn)行固定。鋼筋網(wǎng)采用Φ6 mm 的鋼筋焊接網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm，鋼筋網(wǎng)尺寸為2100 mm×1200 mm。為確保擋矸支護(hù)牢固性，在29U 型鋼焊接Φ20 mm 鋼筋插入頂板已切縫孔，底端放置在深300 mm 的柱窩內(nèi)。敷設(shè)鋼筋網(wǎng)時(shí)，采用2 片網(wǎng)中間夾雙層風(fēng)筒布，起封閉及防止采空區(qū)漏風(fēng)作用。待頂板穩(wěn)定后，使用高分子固化材料進(jìn)行噴涂，堵漏。如圖4。

圖4 架后擋矸臨時(shí)支護(hù)側(cè)視圖（mm）

3）成巷穩(wěn)定區(qū)擋矸支護(hù)（架后300 m 之后）：通過分析201 工作面頂板壓力現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，工作面架后300 m 范圍外為頂板穩(wěn)定區(qū)域，可對(duì)單體支柱進(jìn)行回撤，隔一排撤二排?；爻泛笤俚却敯宸€(wěn)定7 d 以上，當(dāng)頂板下沉量小于1 mm/d 后，將單體液壓支柱全部回撤，然后每隔100 m 安設(shè)1 臺(tái)KBU300 頂板移近量動(dòng)態(tài)報(bào)警儀，作為信號(hào)柱使用。

4 切頂卸壓沿空留巷效果

為掌握202 工作面膠帶順槽沿空留巷效果，在巷道內(nèi)每隔100 m 布置一組巷道表面位移測(cè)站，對(duì)巷道表面變形情況進(jìn)行了為期50 d 的實(shí)時(shí)觀測(cè)，以1#和2#測(cè)站觀測(cè)到的數(shù)據(jù)為例，對(duì)切頂卸壓后巷道表面位移情況進(jìn)行分析。1#和2#測(cè)站觀測(cè)結(jié)果如圖5。由圖5可知，202工作面膠帶順槽切頂卸壓50 d內(nèi)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笙鄬?duì)移近量分別為112.35 mm和86.41 mm，巷道表面變形在允許范圍內(nèi)。此外，巷道內(nèi)未發(fā)生漏矸和漏風(fēng)現(xiàn)象，表明所采取擋矸及防漏風(fēng)措施效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)金辛達(dá)煤礦202 工作面工程地質(zhì)條件，提出了202 工作面膠帶順槽“切頂卸壓+恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)”的切頂卸壓沿空留巷方案；

2）提出采用雙向聚能預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行預(yù)裂切頂卸壓，并對(duì)切頂炮孔參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；

3）基于巷道原支護(hù)參數(shù)及不同位置處巷道特征，將留巷段劃分為超前加強(qiáng)支護(hù)區(qū)、架后臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)區(qū)、成巷穩(wěn)定區(qū)，并設(shè)計(jì)了針對(duì)性支護(hù)方案。4）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：切頂卸壓后2 個(gè)月內(nèi)，巷道表面變形量在允許范圍，且無(wú)漏矸和漏風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生，沿空留巷效果良好。