大傾角沿空留巷頂板控制技術(shù)研究與應(yīng)用

文/寧太勇

隨著科技的進(jìn)步，沿空留巷已成為煤礦緩解采掘接替及提高回采率的重要技術(shù)手段。沿空留巷的重點(diǎn)是如何控制基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)和下沉變形，因此沿空留巷頂板支護(hù)形式是留巷成功的關(guān)鍵因素。河南能源集團(tuán)永煤公司新橋煤礦21101工作面回采期間采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，依據(jù)工作面地質(zhì)資料、巷道圍巖結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，探索出了一套適合沿空留巷的巷道支護(hù)技術(shù)，成功解決了大傾角沿空留巷支護(hù)技術(shù)難題，有效控制了留巷在不同時(shí)期的變形。

一、巷道基本情況

二2煤層是新橋礦主采煤層，21101工作面下順槽設(shè)計(jì)長度為970m，巷高3.2m，掘進(jìn)期間整體呈“上山”趨勢(shì)，平均坡度10°，局部達(dá)14°。煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層平均厚度為3.73m，最厚處為4.3m，最薄處為1.92m，煤層傾角9°～24°。煤層直接頂為中砂巖，厚度為9.5m；老頂為細(xì)砂巖，厚度為22.2m；老頂之上為粉砂巖，厚度為7.9m；直接底為粉砂巖，厚度為4.85m；老底為細(xì)砂巖，厚度為7.7m。

二、巷道原支護(hù)方式

21101下順槽頂板采用“錨網(wǎng)帶+錨索”進(jìn)行支護(hù)，錨桿為φ22mm×2200mm的高強(qiáng)錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm，帶為M5型鋼帶。頂板施工三排錨索（梁）進(jìn)行頂板加固，其中沿巷道中心線施工一排錨索梁，采用12#和16#槽鋼加工，接替連鎖布置，錨索梁長1.8m，一梁兩索，錨索規(guī)格為φ21.6mm×10000mm，間距為1600mm。向左、右各偏1200mm施工2排槽鋼梁，每架槽鋼梁配合兩根φ21.6mm×7500mm錨索施工，槽鋼梁長度1.8m，采用16#槽鋼加工，間距為1600mm。兩幫采用錨網(wǎng)帶支護(hù)，錨桿為φ22mm×2200mm的高強(qiáng)錨桿，間排距為800mm×800mm，帶為M5鋼帶。

三、沿空留巷支護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)方案

采用以“切頂卸壓+錨索（梁）支護(hù)”為主體的設(shè)計(jì)方案，利用恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)加固頂板，控制頂板下沉，使沿空留巷圍巖能夠最大限度地發(fā)揮自身承載作用，降低支護(hù)體承受的載荷，保證沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性。

1.預(yù)裂切縫孔深的確定

預(yù)裂切縫深度（H縫）計(jì)算公式如下：

式中，H煤—采高，m；

ΔH1—頂板下沉量，m；

ΔH2—底鼓量，m；

K—碎脹系數(shù)。

工作面直接頂為中粒砂巖、粗粒砂巖，本面K取1.5，不考慮頂板下沉、底鼓量，僅考慮采高的影響。

按下順槽平均煤厚3.73m計(jì)算，H縫=7.46m；

按下順槽最大煤厚4.3m計(jì)算，H縫=8.6m；

根據(jù)地質(zhì)條件，預(yù)裂切縫鉆孔設(shè)計(jì)深度為9m。

2.預(yù)裂切縫孔及聚能管參數(shù)

切縫孔采用液壓錨桿鉆車施工，切縫孔靠近巷道回采側(cè)巷幫位置，距巷道回采側(cè)煤壁200mm，施工一排，孔間距為0.6m，孔深為9m，孔徑為48mm，切縫孔施工角度分別按照與鉛垂線夾角15°與30°交替施工。

切頂采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，使用雙向聚能管，聚能管外徑為42mm，內(nèi)徑為36.5mm，管長為1500mm。聚能爆破采用煤礦三級(jí)水膠炸藥，炸藥φ35mm，長度為400mm，每個(gè)孔放置4個(gè)聚能管。聚能爆破采用正向爆破，每次聚能爆破切縫孔的個(gè)數(shù)最多為8個(gè)。

3.加固錨索（梁）支護(hù)方案

為保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩(wěn)定性，在進(jìn)行預(yù)裂切頂前采用錨索（梁）加固巷道頂板，回采側(cè)錨索（梁）及點(diǎn)錨索安裝恒阻。錨索直徑為21.6mm，長度為10300mm，預(yù)緊力為40MPa。恒阻器長為500mm，外徑為73mm，最大允許變形量為350mm，恒阻值為（330±20）kN，預(yù)緊力為280kN。托盤規(guī)格為150mm×150mm。

沿巷道中心線向回采側(cè)偏1900 mm（即距回采側(cè)幫部600mm）布置一排連體錨索（梁），錨索間距為800mm，且每根錨索下增加一塊200mm×200mm的鐵托盤；沿巷道中線向回采側(cè)偏1400mm（即距離回采側(cè)幫部1100m）布置1排點(diǎn)錨索，點(diǎn)錨索配規(guī)格為200mm×200mm錨索托盤。

四、巷道臨時(shí)支護(hù)方案

21101工作面回采過程中，不同的回采位置，巷道圍巖受力情況不同。工作面前方20m，巷道受到超前壓力的影響，應(yīng)力集中需加強(qiáng)支護(hù)；工作面支架向后0～120m，頂板垮落，且從頂板垮落到頂板穩(wěn)定需要較長的時(shí)間，此段區(qū)域不僅需要加強(qiáng)頂板支護(hù)，還需進(jìn)行擋矸支護(hù)；工作面支架120m之后，頂板基本趨于穩(wěn)定，巷道來壓較小，不再需要進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，只需進(jìn)行擋矸支護(hù)即可。

因此，將21101下順槽工作面回采位置附近劃分為三個(gè)區(qū)域：超前支護(hù)區(qū)（工作面前方20m），超后臨時(shí)支護(hù)區(qū)（架后0～120m）和成巷穩(wěn)定區(qū)（架后120m之后），根據(jù)相應(yīng)的區(qū)域需要采取不同的支護(hù)措施。

1.超前支護(hù)區(qū)（工作面前方20m）

21101下順槽超前支護(hù)區(qū)采取主動(dòng)支護(hù)，在原巷道支護(hù)的基礎(chǔ)上，頂板施工兩排錨索（梁），即沿巷道中心線向回采側(cè)偏1600mm布置兩排連體錨索（梁），錨索排距1600 mm，且每根錨索下增加一塊規(guī)格為200mm×200mm的鐵托盤。

2.超后臨時(shí)支護(hù)區(qū)（架后0～120m）

由于此段巷道位于工作面超后影響區(qū)，受動(dòng)壓影響明顯，巷道頂板壓力較大。為防止周期來壓時(shí)頂板垮落巖石沖入巷道和留巷初期頂板的下沉，在工作面后方120m范圍內(nèi)采用“單體支柱+超后液壓支架”進(jìn)行支護(hù)。巷道斷面共設(shè)計(jì)三排單體支柱和一排超后液壓支架，第1排單體支柱靠近巷道回采側(cè)距巷道中心線2100mm；第2排單體支柱靠近巷道回采側(cè)距巷道中心線1500mm；第3排單體支柱靠近巷道實(shí)體側(cè)距巷道中心線2000mm。單體支柱初撐力不小于7MPa，排距為600mm，間排距偏差不超過100mm，超后液壓支架靠巷道上幫，支架中心距巷道中心線300mm，偏差100mm。每2臺(tái)支架底座之間的距離不大于200mm，支架初撐力不小于20MPa。

工作面拉最后一架前，在其大立柱附近位置開展鋪設(shè)鋼絲繩、擋矸網(wǎng)及36U鋼棚腿的架設(shè)工作。采用36U型鋼棚腿、φ21.5鋼絲繩及擋矸網(wǎng)進(jìn)行擋矸支護(hù)，36U型鋼棚腿間距為600mm，與單體支柱間隔布置。36U型鋼棚腿由2節(jié)搭接組成，搭接長度為500mm，采用卡纜進(jìn)行搭接，卡纜間距為200mm，使用2塊連接板連接棚腿，卡纜螺栓預(yù)緊力為350N·m，連接板螺栓預(yù)緊力為200N·m。36U型鋼上棚腿上部與切縫孔連線對(duì)齊，與頂板嚴(yán)密結(jié)實(shí)，36U型鋼下棚腿下部插入巷道底板實(shí)底上。擋矸網(wǎng)采用1根φ21.5mm鋼絲繩（間距600mm）、1層平焊鐵絲網(wǎng)和1層大眼網(wǎng)鋪設(shè)而成，平焊鐵絲網(wǎng)及大眼網(wǎng)與頂板網(wǎng)相連，將平焊鐵絲網(wǎng)及大眼網(wǎng)鋪設(shè)至巷道底板，并采用φ22 mm×1500mm錨桿將φ21.5mm鋼絲繩、平焊鐵絲網(wǎng)和大眼網(wǎng)固定在底板上。

3.成巷穩(wěn)定區(qū)（架后120m之后）

成巷穩(wěn)定區(qū)巷道受采動(dòng)影響小，該區(qū)域已趨于基本穩(wěn)定狀態(tài)，頂板下沉量及單體支柱的壓力變化很小，可去掉臨時(shí)支護(hù)的單體支柱，只保留36U型鋼和擋矸網(wǎng)擋矸。

五、礦壓觀測(cè)

在21101下順槽留空巷每50m設(shè)置1組巷道表面位移觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)距離工作面50m以內(nèi)，每天觀測(cè)1次；大于50m時(shí)，每周觀測(cè)2次；2個(gè)月后每周觀測(cè)1次。通過分析巷道表面位移曲線圖可知，留巷期間，兩幫移近量最大為180mm，其中留空幫移近量為136mm，實(shí)體幫移近量為180mm，頂板移近量為308mm，底板移近量為385mm，巷道支護(hù)強(qiáng)度有效控制了巷道圍巖變形。雖然巷道有一定的變形，但留巷總體效果較好，下個(gè)工作面投入使用前，只需對(duì)留巷重新進(jìn)行簡單的拉底返修，即可投入使用。

六、結(jié)論

采用以“切頂卸壓+錨索（梁）支護(hù)”為主的支護(hù)方案，利用恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)加固頂板，控制頂板下沉，減緩兩幫壓力，使沿空留巷圍巖能最大限度地發(fā)揮自身承載作用，降低支護(hù)體承受的載荷，確保了沿空留巷的整體穩(wěn)定性。探索出了一套在沿空留巷超前支護(hù)區(qū)、超后臨時(shí)支護(hù)區(qū)、成巷穩(wěn)定區(qū)的巷道支護(hù)技術(shù)，強(qiáng)化了初期支護(hù)強(qiáng)度，加大了初期支護(hù)投入，成功解決了沿空留巷支護(hù)技術(shù)難題。