薄煤層切頂卸壓沿空留巷技術研究及應用

劉 鵬

（金辛達煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

沿空留巷技術因其可提高工作面煤炭資源回采率、掘進工程量小、可有效緩解工作面采掘接替緊張局面等優點，近年來在我國各大礦區得以廣泛應用和發展[1-2]。如何確保沿空留巷效果及圍巖穩定性成為學者專家關注的焦點問題。趙永平采用預應力錨索超前支護及預裂爆破切頂卸壓技術確保了店坪煤礦沿空留巷成巷效果。張國輝和邢永基于對巷道圍巖運動規律的分析，提出定向預裂爆破技術切斷巷道與上覆圍巖之間的聯系，改善了留巷段圍巖條件。基于上述研究成果，針對金辛達煤礦202 薄煤層綜采工作面工程地質條件，設計了202 工作面膠帶順槽切頂鉆孔關鍵參數，并采用分區支護方案有效控制了巷道圍巖變形。

1 工程概況

金辛達煤礦2 號煤層為現階段開采煤層。2 號煤層埋深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°；煤層結構簡單，偶含1～2 層夾矸，厚度約0.3～1.0 m，為賦存穩定的全區可采薄煤層。202 工作面位于2 號煤層采區中部，南側為201 工作面采空區，北部為203 工作面實體煤，西部為2號煤層輔運大巷，東部為井田邊界。2 號煤層直接頂為砂質泥巖和泥巖，基本頂為細粒砂巖，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參數

為保證沿空留巷效果，使巷道側向頂板沿預裂切縫被切斷，達到減弱和轉移巷道側向支承壓力[3]，設計采用雙向聚能預裂爆破技術進行預裂切頂卸壓，即在預裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，使聚能方向對應于巖體預裂方向，借助爆轟形成的聚能流所產生的張拉應力，使預裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預裂面。

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度、炮孔深度及裝藥量的關鍵參數[4]。基于202 工作面膠帶順槽工程地質條件及鉆機施工條件，設計炮孔角度α=20°，切頂炮孔位置距巷道回采側幫100 mm。

2.2 切頂炮孔深度

預裂切縫孔深度一般取采高的2.6 倍。通過對201 膠帶順槽頂板預裂效果觀測，采煤工作面上巷口至采煤面下巷口方向15 m 范圍內采高對頂板預裂效果影響較大。202 工作面平均采高1.6 m，但回采工作面下巷口15 m 范圍內采高達到2.2 m，因此預裂切縫孔深度取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圖（mm）

2.3 裝藥結構

雙向聚能管采用特制聚能管，其外徑42 mm，內徑36.5 mm，管長1500 mm。聚能爆破采用礦用三級乳化炸藥，炸藥規格為Φ32 mm×300 mm/卷，爆破孔口用炮泥封孔，封孔長度≥1.5 m。

3 切頂卸壓沿空留巷支護方案

3.1 巷道原支護方案

202 工作面膠帶順槽原支護方式為“錨網索+鋼帶”，頂板錨桿采用Φ20 mm×2200 mm 高強度螺紋鋼錨桿，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 高強度螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm。頂板及兩幫網片采用Φ5 mm 鋼筋焊接網，規格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斷面圖（mm）

3.2 切頂卸壓沿空留巷支護方案

3.2.1 恒阻大變形錨索補強加固

為了控制頂板下沉，使所留巷道圍巖能夠最大限度發揮自身承載作用，減少巷道變形，保證切頂過程和回采期間周期來壓時巷道的穩定性和留巷效果，設計采用恒阻大變形錨索對巷道頂板進行補強加固。為充分發揮恒阻大變形錨索的支護性能，避免預裂爆破和頂板垮落對其造成的影響，恒阻大變形錨索長度一般要超過預裂切縫爆破高度2 m，確保錨固端位于較穩定巖層內。考慮到頂板巖層分布、巷道原有支護參數情況，恒阻大變形錨索設計長度選擇為8.8 m。具體支護參數為：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，布設位置距回采側煤幫600 mm；施加的預緊力不小于280 kN；選用Φ79 mm×450 mm 的恒阻器實現恒阻，恒阻值為（30±2）t；相鄰兩根恒阻大變形錨索間采用規格為4500 mm×300 mm×3 mm 的W 型鋼帶進行搭接；配套錨索托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm。如圖1。

3.2.2 留巷段分區支護方案

不同位置巷道在工作面推進過程受到的采動影響不同。超前工作面一定范圍內受超前支承壓力的影響，巷道極易發生較大變形，甚至引發冒頂事故。隨著工作面開采，頂板開始垮落并逐漸穩定，故在工作面架后一定范圍內需要進行頂板支護和采取擋矸措施。當巷道滯后工作面一定范圍后，頂板變形基本趨于穩定，形成新的應力平衡狀態，此時只需采取擋矸措施即可[5]。基于上述不同位置巷道具體情況，結合201 工作面沿空留巷現場監測數據，將202 工作面留巷段劃分為三個區域分別制定針對性的支護方案，具體如下：

1）超前加強支護區（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”的支護方式對工作面前方20 m 范圍內202 工作面膠帶順槽進行超前支護，其中單體液壓支柱排距為1000 mm，工字鋼采用長度4 m 的11 號工字鋼。

2）架后臨時加強支護區（架后0～300 m）：采用“單體液壓支柱+π 型鋼梁”的聯合支護形式對工作面架后300 m 范圍進行臨時加強支護，單體液壓支柱與π 型鋼梁采用“一梁四柱”的方式進行布置，如圖3。

圖3 架后臨時加強支護斷面圖（mm）

為防止矸石進入留巷區影響留巷效果，采用“29U 型鋼+鋼筋網”聯合支護方式進行擋矸支護。29U 型鋼每根長2 m，排距為500 mm，每兩根為一組進行搭接，采用兩組卡纜對搭接處進行固定。鋼筋網采用Φ6 mm 的鋼筋焊接網，網孔尺寸為100 mm×100 mm，鋼筋網尺寸為2100 mm×1200 mm。為確保擋矸支護牢固性，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。敷設鋼筋網時，采用2 片網中間夾雙層風筒布，起封閉及防止采空區漏風作用。待頂板穩定后，使用高分子固化材料進行噴涂，堵漏。如圖4。

圖4 架后擋矸臨時支護側視圖（mm）

3）成巷穩定區擋矸支護（架后300 m 之后）：通過分析201 工作面頂板壓力現場觀測數據，工作面架后300 m 范圍外為頂板穩定區域，可對單體支柱進行回撤，隔一排撤二排。回撤后再等待頂板穩定7 d 以上，當頂板下沉量小于1 mm/d 后，將單體液壓支柱全部回撤，然后每隔100 m 安設1 臺KBU300 頂板移近量動態報警儀，作為信號柱使用。

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，在巷道內每隔100 m 布置一組巷道表面位移測站，對巷道表面變形情況進行了為期50 d 的實時觀測，以1#和2#測站觀測到的數據為例，對切頂卸壓后巷道表面位移情況進行分析。1#和2#測站觀測結果如圖5。由圖5可知，202工作面膠帶順槽切頂卸壓50 d內，巷道頂底板和兩幫最大相對移近量分別為112.35 mm和86.41 mm，巷道表面變形在允許范圍內。此外，巷道內未發生漏矸和漏風現象，表明所采取擋矸及防漏風措施效果良好。

5 結語

1）針對金辛達煤礦202 工作面工程地質條件，提出了202 工作面膠帶順槽“切頂卸壓+恒阻大變形錨索補強支護”的切頂卸壓沿空留巷方案；

2）提出采用雙向聚能預裂爆破技術進行預裂切頂卸壓，并對切頂炮孔參數及裝藥結構進行設計；

3）基于巷道原支護參數及不同位置處巷道特征，將留巷段劃分為超前加強支護區、架后臨時加強支護區、成巷穩定區，并設計了針對性支護方案。4）現場應用結果表明：切頂卸壓后2 個月內，巷道表面變形量在允許范圍，且無漏矸和漏風現象發生，沿空留巷效果良好。