榆樹坡煤業(yè)沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

王 棟

（山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036799）

隨著榆樹坡煤業(yè)煤炭資源存量不斷降低，為了提升煤炭資源回收率，榆樹坡煤業(yè)采用了沿空留巷無煤柱開采技術(shù)。隨著回采作業(yè)，對(duì)回采巷道采空側(cè)的邊緣部分進(jìn)行巷旁填充留巷。現(xiàn)有的沿空留巷施工工藝不僅工藝繁瑣而且效率低下、施工成本較高，影響綜采作業(yè)安全生產(chǎn)。

經(jīng)過長期的探索，榆樹坡煤業(yè)提出了一種新的沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，通過對(duì)沿空留巷的結(jié)構(gòu)控制和受力優(yōu)化，大幅提升了沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性。目前該技術(shù)方案已在榆樹坡煤業(yè)多個(gè)巷道得到應(yīng)用，表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性。

1 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)控制技術(shù)

基于傳統(tǒng)沿空留巷控制技術(shù)的缺陷，結(jié)合“切頂短臂梁”穩(wěn)定支護(hù)控制理論，優(yōu)化后的沿空留巷控制技術(shù)的作業(yè)流程如圖1所示[1]。

圖1 沿空留巷圍巖支護(hù)流程

優(yōu)化后的沿空留巷控制技術(shù)，是在巷道的內(nèi)側(cè)和采空區(qū)域內(nèi)利用恒阻力的大變形錨索為主體進(jìn)行支護(hù)作業(yè)。當(dāng)完成初步支護(hù)后，需要在巷道內(nèi)的超前工作面上設(shè)置一組用于聚能爆破的孔位，如圖1（b）所示，孔位設(shè)置完成后進(jìn)行爆破作業(yè)，使巷道內(nèi)側(cè)的頂板處產(chǎn)生一個(gè)如圖1（c）所示的裂縫。回采作業(yè)時(shí)，沿著預(yù)爆破的裂縫處設(shè)置一組單體支柱，作為巷旁擋護(hù)煤矸石的支護(hù)體。當(dāng)后續(xù)采空區(qū)域內(nèi)的頂板沿著預(yù)爆破縫隙逐漸垮落而形成圖1中所示的巷幫并被充分壓實(shí)后，再逐步將設(shè)置的單體支柱撤去。最后將壓實(shí)后的巷幫進(jìn)行噴漿固化處理，形成一個(gè)完全隔絕的區(qū)域，將采空區(qū)完全地隔離開來，形成的巷道可以成為臨近的綜采面的回采巷道，從而實(shí)現(xiàn)無煤柱開采和安全支護(hù)。

2 沿空留巷圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)

（1）聚能預(yù)爆破。聚能預(yù)爆破主要是指通過聚能裝置在特定方向上的定向爆破，使頂板巖層能夠沿著預(yù)定的方向形成預(yù)裂面。該技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于定向爆破能最大限度地降低非定向方向上的沖擊，避免巖層損傷。在井下超前工作面實(shí)施聚能爆破后，能夠使頂板巖層沿著預(yù)定的區(qū)域產(chǎn)生垮落，降低巖板的側(cè)向懸臂的長度，能最大限度地優(yōu)化留巷內(nèi)圍巖的受力。聚能爆破原理如圖2所示[2]。

圖2 聚能爆破原理

（2）恒阻力大變形錨索支護(hù)技術(shù)。為了提升對(duì)沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)控制的有效性，采用恒阻力大變形錨索支護(hù)。該支護(hù)錨索具有高強(qiáng)度、高預(yù)緊力、高恒阻的結(jié)構(gòu)特性，不僅能夠有效地適應(yīng)井下圍巖的變形，而且能夠有效地限制巷道頂板受力情況下的搓動(dòng)，極大地提升其頂板巖層的抗壓沖擊能力。

該錨索結(jié)構(gòu)的模型如圖3所示。

圖3 恒阻大變形錨索結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)錨索在井下固定時(shí)，其固定區(qū)域內(nèi)共有m層巖層，煤層巖層的厚度均為h，則其所受的抗彎彎矩可表示為[3]：

當(dāng)所有的巖層都被恒阻大變形錨索固定在一起時(shí)，其總的抗彎彎矩M'可表示為：

由此可知，當(dāng)采用恒阻大變形錨索固定后，其頂板的抗彎彎矩提升了m倍，因此極大地降低了發(fā)生垮落的危險(xiǎn)性，有效降低了巷旁的支護(hù)阻力。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上，再輔以錨桿支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，形成一套完整的承載體結(jié)構(gòu)，分散垮落對(duì)支護(hù)體的沖擊作用，并提升支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖變形的適應(yīng)的能力，提升巖體的自承受能力，大幅提升沿空留巷圍巖變形控制能力，確保留巷的穩(wěn)定性。

3 沿空留巷圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

巷道在開采過程中，頂板會(huì)有3個(gè)活動(dòng)期[4]，其中導(dǎo)致頂板變化最劇烈的為過渡活動(dòng)期，在此時(shí)采空區(qū)的頂板最容易產(chǎn)生塌方。由于井下巷道內(nèi)不同區(qū)域的巷道頂板的結(jié)構(gòu)狀態(tài)均不一致，而其支護(hù)方式的不同也會(huì)影響到頂板的斷裂位置，直接影響著巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通常情況下，沿空留巷的斷裂位置包括了巷道上層、采空區(qū)的側(cè)邊，因此在進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)控制優(yōu)化時(shí)，需在工作面后側(cè)約100m的位置采用單體支柱進(jìn)行支護(hù)。各單體支柱之間的距離約為600mm，在單體支柱切頂線的位置設(shè)置一組工字鋼作為抵擋煤矸石沖擊的永久結(jié)構(gòu)體。其圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的沿空留巷圍巖控制支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

4 工程應(yīng)用情況

榆樹坡煤業(yè)2號(hào)煤一采區(qū)1201綜采工作面在采用該圍巖結(jié)構(gòu)控制技術(shù)后，在巷道采后約100m范圍內(nèi)，采空側(cè)的頂板按爆破產(chǎn)生的預(yù)裂面迅速垮落并維持穩(wěn)定。在沿空留巷內(nèi)，巷道的寬度能穩(wěn)定維持在5.3m左右，其斷面收縮率能夠維持在7%以內(nèi)，留巷四周的圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。采用了該技術(shù)后，該綜采面煤炭的回收率提升了約5.7%，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)量增加了約3.4萬t，總利潤增加了約600萬元。應(yīng)用后的沿空留巷效果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的成形效果

5 結(jié)論

針對(duì)常規(guī)的沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)控制方案存在的問題，根據(jù)榆樹坡煤業(yè)2號(hào)煤一采區(qū)1201綜采工作面的實(shí)際情況，提出了利用聚能預(yù)爆破和恒阻力大變形錨索支護(hù)技術(shù)沿空留巷圍巖控制方案。應(yīng)用情況表明其支護(hù)穩(wěn)定性高，可靠性好，目前已得到推廣應(yīng)用，極大地提升了井下圍巖結(jié)構(gòu)控制效果。