切頂卸壓沿空留巷支護技術及礦壓規律分析

薛 斌，呼少平，雷亞勇

(陜西陜煤澄合礦業有限公司，陜西 渭南 715200)

0 引言

沿空留巷是國內外煤炭開采技術的重要發展方向，是降低回采巷道掘進率、提高采區回采率、實現無煤柱開采的主要技術措施之一。切頂卸壓沿空留巷支護技術采用深孔爆破技術預裂頂板，利用采場周期來壓沿空切頂，形成對上覆老頂巖梁的支撐結構，控制老頂的回轉和下沉變形，實現卸壓作用。切落的頂板形成巷幫，從而保留了工作面下順槽，作為鄰近工作面上順槽，使傳統長壁開采一面雙巷模式變為一面單巷采掘模式，實現無煤柱開采。澄合礦業公司在百良旭升煤礦505綜采工作面停采線以里100 m段，進行了切頂卸壓沿空留巷支護技術試驗，分析改進了切頂卸壓沿空留巷支護技術方案，總結出了試驗段礦壓顯現規律。

1 切頂卸壓沿空留巷設計方案與實驗

1.1 回采巷道圍巖地質條件

百良旭升煤礦505綜采工作面走向長706 m，傾向長度142 m，主采5#煤，直接頂為細粒砂巖，平均厚度2.85 m，上部為4#煤，厚度1.2～2.4 m，平均1.5 m。4#煤上部為中細粒砂巖(老頂)，厚度2.0～10.0 m，平均6.0 m。煤層底板為細至中粒石英砂巖，厚度0.55～2.5 m，平均1.7 m，堅硬，老底為粉砂巖，厚度14.71～21.22 m，平均17 m。

1.2 沿空留巷段補強支護方式

505綜采工作面位于一采區西翼，東為采區大巷，西為大原頭村煤柱，南北均為待掘工作面，工作面沿走向布置，試驗在工作面軌道巷進行，原支護方式為錨網索支護，巷道設計規格為4.0 m×3.5 m，頂部布置6根φ20 mm×2 200 mm錨桿，三花布置φ18.9 mm×8 300 mm錨索，兩幫各布置5根φ20 mm×2 200 mm錨桿。

100 m試驗段采用補設錨索、錨桿方式進行補強支護，共打設補強錨索125根，補強錨桿143根。錨索規格φ21.8 mm×9 300 mm，間距0.8 m，靠煤壁幫單排打設。錨桿規格φ20 mm×2 200 mm；間排距1.4 m×1.4 m，煤柱側幫打設，打設位置在幫部中間，與巷道原支護呈五花眼布置。

1.3 試驗巷道切頂卸壓方案

切頂卸壓預裂爆破孔參數：切頂方式采用深孔雙向聚能爆破技術實現對頂板的定向切割，在回采工作面超前50 m以外，在試驗段軌道巷施工一排6～7.5 m深鉆孔，孔位距回采幫200 mm，孔徑50 mm，孔間距700 mm，傾角向采空區傾斜20°，試驗段共施工148個爆破孔。

預裂爆破參數：裝藥長度1 800 mm，采用9節乳化炸藥，炸藥規格φ32 mm×200 mm，雷管選用煤礦用毫秒延期電雷管，每孔兩發，連線方式采用孔內并聯，孔外串聯，爆破方式五孔為一組一次起爆。定向聚能管使用PVC管材，規格φ40 mm×4 000 mm，通過礦用切割機割寬度8 mm對縫，實現定向聚能爆破。

試驗段巷道分段進行：試驗段巷道全長100 m，為保證試驗數據科學合理性，將試驗段分為3段，每段爆破孔深度及爆破裝藥方式進行細微調整，分段布置情況見表1。

1.4 留巷段支護方案

留巷段支護采用單體支柱配合π型梁支護，排距0.6 m，π型梁長2.4 m，一梁三柱，棚距800 mm。切頂幫采用密集單體、工字鋼支護，鋼筋網、雙抗網擋矸，待工作面推采過70 m后，回撤靠切頂幫側單體，將單體替換為工字鋼，工字鋼排距0.6 m，不回收。

1.5 礦壓監測方案

表面位移觀測：采用十字布點法，每隔5 m布置一組測點，每天測量留巷段頂底板收斂、兩幫移近量。

表1 試驗段巷道分段布置表

頂板深部位移檢測：采用KJ216頂板離層監測分站，觀測頂板離層量。

礦壓監測：使用錨索、錨桿應力監測計對錨索、錨桿工作荷載進行觀測。

1.6 試驗過程

百良旭升煤礦切頂卸壓沿空留巷試驗自2016年8月～2016年11月底，期間歷時4個月。9月19日前為基礎工程實施期，期間施工切縫孔148個并爆破，布設測點20組，安裝頂板離層儀9組，錨索、錨桿應力監測計9組，9月20日～11月底為試驗觀測期，每天安排專職測量人員記錄數據。

2 切頂卸壓沿空留巷礦壓顯現規律

2.1 頂底板移近量規律分析

根據沿空留巷巖層運動規律的不同，將留巷段頂底板巖層活動分為3個時期，如圖1、表2、表3。

前期活動期(超前支承壓力影響)：隨著工作面推采臨近試驗地點，留巷段受回采超前支承壓力影響。工作面距離試驗地點40 m以外，留巷段頂板基本無下沉，底鼓量也基本無變化。工作面距離試驗地點40～20 m期間，頂板下沉、底板底鼓產生微小變化。工作面距離試驗地點20～10 m期間，變化增強。工作面推采距離試驗點10 m以內時，回采超前支承壓力對留巷段頂板產生劇烈影響，留巷段頂底板變化明顯。

表2 頂板下沉量變化分析表

備注：表中負數代表工作面推過試驗點距離。

表3 底板底鼓量規律分析

備注：表中負數代表工作面推過試驗點距離。

活動過渡期(工作面傾斜方向殘余支承壓力影響)：工作面推采至試驗點時，支架向前移動，其后方頂板巖層失去支撐，采空區直接頂垮落，巖層垮落后不足以充滿采空區時，老頂上覆巖層的重量通過直接頂逐漸轉移到巷旁煤體深部，使其出現應力集中，留巷段頂底板產生劇烈變化。

后期活動期(后方采空區支承壓力影響)：工作面推過試驗點15 m以后，隨著矸石的逐漸壓實并形成穩定結構，受采動因素的圍巖應力重新分布，留巷段頂板受后方采空區支承壓力影響逐漸減弱，頂底板變化趨于平穩，工作面推過試驗點35 m以后，頂底板變化趨于0。

2.2 兩幫收斂量規律分析

沿空留巷段兩幫收斂量規律與頂底板礦壓顯現規律相似，工作面距離試驗點40 m以外時，兩幫收斂基本無變化，工作面從40 m推采至試驗點時，兩幫收斂量逐漸加劇。工作面推過試驗點時，受支架布置方式影響，支架竄入試驗巷道1 m左右，緊貼支架擋矸支護滯后，加之支架后竄矸嚴重，留巷巷道寬度急劇縮小至2.4 m。受竄矸側壓影響，工作面推過試驗點60 m后，兩幫收斂才趨于穩定，見表4。

表4 兩幫收斂量規律分析

備注：表中負數代表工作面推過試驗點距離，留巷段均為重新布點后煤柱側單側收斂量。

2.3 頂板深部位移規律分析

通過KJ216頂板離層監測儀數據分析，留巷段頂板深部位移在工作面推采至留巷段時發生劇烈變化，下沉量與頂板下沉觀測數據一致。

2.4 巷道錨桿(索)受力規律分析

錨桿受力分析：幫部錨桿受力出現持續增大狀態，峰值數據27 MPa(148.5 kN)，切頂后卸壓，最后趨于穩定，如圖2所示。

圖2 1號測點錨桿受力曲線圖

錨索受力分析：切頂預裂爆破后，頂部錨索受力減小，隨著工作面推進，逐步遞增，工作面推采過10 m時，錨索受力27 MPa(148.5 kN)，后數值突然減小至0，推采過測點15 m時，錨索受力又緩慢增加至2 MPa后穩定，如圖3所示。

圖3 1號測點錨索受力曲線圖

3 試驗期間遇到的問題

3.1 留巷段寬度不足，擋矸效果不理想

工作面推采過后，由于工作面排尾架布置于軌道巷中央位置，支架后擋矸支護困難(竄矸嚴重)，切頂幫側擋矸單體只能緊貼支架頂梁支設，拉架后，留巷寬度僅有2.4～2.8 m，與設計(4.0 m)相差太遠；加之工作面傾角較大，機尾低于機頭15～20 m，留巷段承受煤層頂板及矸石側壓大，導致切頂幫側擋矸支柱從中部彎曲變形較多。

3.2 擋矸工字鋼支護施工不便

原設計中切頂幫采用密集單體、工字鋼支護，工作面推采過后，使用工字鋼替換切頂幫單體，由于巷道高度不一，工字鋼點柱規格需提前量取加工，施工不便，且受側壓后工字鋼易彎曲變形。

3.3 留巷段頂板出現開裂現象

試驗段進入505工作面超前20 m時，留巷段頂板出現裂縫，長度10 m左右，寬度2～3 cm。

4 結語

澄合礦業公司百良旭升煤礦505工作面切頂卸壓沿空留巷試驗，累計成巷100 m，經歷老頂兩次來壓，采空區側頂板基本沿定向預裂爆破孔以大塊體切落自動成巷，留巷斷面：(寬×高)=2.4 m×2.5 m，試驗基本達到預期效果。

切頂卸壓沿空留巷技術能夠消除臨近工作面煤體上方應力集中，減少采掘比，提高生產效率，操作簡單，成本小，且能實現煤柱回收，預防瓦斯突出等，與傳統采煤模式相比具有明顯優勢。