沿空切頂自成巷無煤柱開采支護技術研究

摘要：分析了沿空切頂成巷無煤柱開采關鍵技術以及巷道臨時支護范圍，針對沿空切頂成巷巷道臨時支護存在支護工序復雜，對巷道頂板反復支撐破壞，移動操作繁瑣，勞動強度高，安全系數低的問題，提出采用新型巷道臨時支護支架，采用數值模擬分析了臨時支護支架使用效果，充分發揮臨時支護支架的承載作用，實現沿空切頂成巷巷道無反復支撐，確保巷道完整性避免造成生產成本浪費，降低勞動強度，實現礦井綠色、安全、高效開采。

Abstract： This paper analyzes the key technology of coal-free column mining along the empty cut top into the lane and the temporary support range of the laneway， for the temporary support process along the empty cut top into the laneway， the existence of support ingress process is complex， the roadway roof board is repeatedly supported and destroyed， the movement operation is cumbersome， the labor intensity is high， the safety factor is low， the problem of using the new laneway temporary support bracket is proposed， The use effect of temporary support bracket is analyzed by numerical simulation， the carrying function of temporary support support is given full play， no repeated support is realized along the empty cut-top laneway， and the integrity of the laneway is avoided from causing waste of production costs， reducing labor intensity， and realizing the green， safe and efficient mining of the mine.

關鍵詞：沿空切頂成巷;無煤柱開采;巷道臨時支護;無反復支護技術;巷道圍巖控制

Key words： cut the top down the alley along the empty;none-pillar mining;laneway temporary support;none-pentonom-free support technology;entry surroundings control

中圖分類號：TD353? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）11-0146-04

0? 引言

我國煤炭開采普遍采用長壁綜采技術，相鄰工作面之間留設保護煤柱，煤炭資源浪費嚴重，同時工作面巷道掘進工作量大也造成了采掘銜接不平衡，影響了采煤工作面的有效接續，同時大量的掘進工作也存在不同程度的生產安全隱患。近年來許多礦井開采研究沿空成巷無煤柱開采技術[1]，該項技術的應用不僅提高資源回采率，延長礦井服務年限，在高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，可以實現Y型通風，消除回風隅角瓦斯積聚，改善礦井安全條件，降低巷道掘進工作量，簡化工作面接續程序等優點[2]。

沿空切頂巷道在成巷過程中的臨時支護而言，目前仍存在著一些問題，如支護工藝復雜、材料消耗量大、所需勞動力多、支護成本高、對巷道破壞程度高等。采用新開發的ZQL2820/22.5/38型巷道臨時支護支架+WCL5Y防爆柴油機履帶式運輸車對沿空切頂留巷實現無反復支撐，能夠避免對巷道錨網索支護系統造成破壞，保證沿空留巷頂板[3]、巷道整體的完整性、穩定性，同時操作簡單、支護效果好，避免造成生產成本浪費，降低勞動強度，對于改進提高沿空切頂成巷無煤柱開采工藝水平，實現礦井綠色、安全、高效開采具有重要意義。

1? 地質條件

1226綜采工作面主采2#煤層，煤層標高在+464～+508之間，2#煤位于山西組的中下部，呈一組煤，位于山西組第二沉積旋回系列中，上距上石盒子組底界砂巖（K10）約118m，距K8砂巖約27.4m，下到K7砂巖11.7m，至K4灰巖約40m左右，可采走向長度1562.75m，傾向長度180.5m，實體長176m。煤層厚度平均為2.85m，煤層傾角0～4°，夾矸巖性多為含炭質泥巖或泥巖，有時為泥砂巖，頂板巖層由粉砂質泥巖和粉砂巖，直接底粉砂巖，老底含砂泥巖組成，頂板的的巖性和煤層局部地區變化較大。

2? 頂板預裂切縫與恒阻大變形錨索設計

采用雙向聚能爆破預裂技術[4]+恒阻大變形錨索[5]技術，可以達到實現預裂的同時又可以保護巷道頂板的完整性。依據1226工作面運輸巷側煤層及上覆巖層分布，根據確定的切縫孔基準線H縫設計為7.5m，結合巷道頂板巖性分布對1226工作面進行留巷工程區劃分如圖1所示。

從圖1中可以看出按切頂高度可以分為A、B兩個區。其中A區總長1042m，切頂高度10m;B區總長505m，切頂高度11m。為了保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩定性，在對巷道頂板進行預裂切頂前采用恒阻大變形錨索[5]補強加固。為使恒阻錨索在留巷的過程中發揮較好的懸吊作用，同時有效保護錨固端，因此恒阻錨索長度一般設計為H縫+2.0m+外露長度（0.3m），并確保錨固端位于較穩定巖層內，恒阻錨索設計長度分別為12.3m（A區）、13.3m（B區）。

3? 巷道臨時支護設計

3.1 支護方式以及支護范圍分析研究

工作面推進過程中，不同位置巷道受采動影響不同。工作面超前段會受到超前壓力的影響，需要進行超前臨時支護;工作面隨著開采推進，頂板開采垮落，從垮落到穩定需要一定的時間，距工作面較近的架后區域需要進行頂板支護以及擋矸支護。隨著工作面繼續推進，當巷道距工作面較遠時，頂板運動基本會趨于穩定，需要擋矸支護即可。

根據現場監測數據，將工作面附近劃分為三個區：超前支護區（工作面前方30m），架后臨時支護區（架后0m～200m）和成巷穩定區（架后200m之后），不同分區根據需要采取不同的支護措施，分區如圖2所示。

3.2 臨時支護設計

臨時支護區域范圍長度約230m，寬度4.7m，高度3.5m，根據支護方式以及區域的不同分為超前支護區與架后臨時支護區，需要進行有效支護，維護巷道頂板的完整性。傳統的單體支護方式，支護工序復雜，勞動強度高，安全系數低;整體式與分體式超前支架組不能避讓巷道頂板的錨索、錨桿，反復支撐對頂板永久支護具有很強的破壞，不利于成巷穩定后巷道頂板的完整性，在使用過程中操作復雜，靈活性差;單元支架[5]對巷道頂板支護面積小，搬運復雜，勞動強度大。針對以上問題開發設計新型的門式巷道臨時支護支架對超前支護區與架后臨時支護區進行臨時支護（如圖3所示）。門式支架采用2臺WCL5Y防爆柴油機履帶式運輸車分別在超前支護區與架后臨時支護區進行交替循環運輸，并為門式支架提供乳化液動力源，可實現230m巷道無反復支撐，保證了頂板的穩定性。具體支護方式如下：

①超前支護區位于工作面超前采動影響區，需超前加強支護，采用ZQL2820/22.5/38型巷道臨時支護支架進行超前支護，支護距離31m，架間距1.8m，避開巷道頂板錨桿及錨索支護，共計18架，支護強度約0.35MPa。

②架后臨時支護區位于工作面超后影響區，采空區頂板巖石垮落會對巷道頂板產生一定的摩擦作用，巷道受動壓影響明顯，頂板壓力較大。在架后0～200m范圍內，頂板需要臨時加強支護，采用ZQL2820/22.5/38型巷道臨時支護支架+U型鋼進行超后支護。為防止在動壓作用下碎石幫擠壓U型鋼擋桿向巷內移動，并能夠對頂板提供較大的支護阻力，采用ZLC2820/22.5/38型巷道臨時支護支架進行加強支護，支護距離200m，架間距1.0m，共計200架，支護強度約0.6MPa;為防止采空區的矸石躥入巷道，采用鋼筋網與可伸縮U型鋼進行聯合擋矸支護，可伸縮U型鋼排距500mm。

3.3 臨時成套支護裝備的技術特點

①采用無軌膠輪運輸車交替循環搬運臨時支護支架，可實現對順槽巷道頂板的超長距離的無反復支撐，工藝技術先進，機械化程度高，適應性強，安全性高。

②無軌膠輪運輸車雙向前后兩個駕駛室，可以雙向操作行駛;運輸車上設置專用升降、回轉及夾緊機構，確保支架安全運輸以及安全支護;車載獨立乳化液泵站，控制系統采用快速插裝自封式，確保整架無液壓管路外露，保證操作人員的安全性。

③臨時支護支架結構簡單，支護強度大，通過調節架間距，滿足不同巷道壓力變化的要求;支架梁體采用窄型設計，避免破壞錨桿與錨索;支架立柱采用球型鉸接設計，滿足巷道起伏不平的要求。

4? 支護效果分析

為分析沿空切頂成巷開采臨時支護區域支護效果，分析超前、成巷區域支護強度合理性，建立回采工作面沿空留巷三維數值模型[6]，按照工作面尺寸、巷道尺寸及頂底板條件賦值參數，編制有限差分程序，根據巷道支護設計，模擬過程中對回采巷道進行錨桿（索）支護，結合計算結果，模型模擬煤層及部分上位巖層，剩余上覆巖層以均布載荷代替，建立模型如圖4所示。

4.1 超前支護區支護效果分析

①如圖5所示，在支護強度為0.35MPa條件下圍巖應力主要集中于巷道兩幫，最大應力值約為13MPa，巷道頂板上覆巖層在超前支護的作用下出現零應力區，巷道圍巖應力分布合理。

②如圖6為巷道超前支護范圍內圍巖變形圖，由圖可知，超前支護作用下巷道頂板最大下沉量為40mm，位于巷道頂板中部，兩幫最大變形量為22mm，巷道整體變形量小。

沿空切頂成巷采用ZLC2820/22.5/38型巷道臨時支護支架進行超前支護，通過數值模擬分析，可知在0.35MPa超前支護強度下支架可有效承載上覆巖層應力，緩減巷道幫部破壞變形，巷道整體變形量小，超前支護強度合理。

4.2 成巷區域滯后支護效果分析

沿空切頂成巷滯后支護區域內巷道上覆巖層采空區側向基本頂已切落，巷道圍巖由大變形恒阻錨索、普通錨索及錨桿支護體系與ZQL2820/22.5/38型巷道臨時支護支架共同維護，巷道圍巖頂板活動劇烈，根據工作面臨時支護支架排距為1.0m條件下對巷道圍巖的控制效果進行分析，滿足沿空切頂成巷的要求。

①如圖7所示，沿空切頂巷道圍巖破壞區域深度約為1.2m，支架-圍巖接觸區域主要表現為正在發生剪切破壞，破壞深度約為0.3m，頂板距巷道0.3～0.6m范圍內巖層已經發生剪切破壞，上覆巖層距頂板0.6～1.2m范圍主要表現為拉升破壞;支架-圍巖接觸范圍以外頂板巖層主要發生主要表現為拉伸破壞，破壞高度為1.2m，巷道底板及幫部破壞主要表現為剪切破壞，底板破壞深度約為5m。

②如圖8所示，巷道中部及靠近切頂一側頂板下沉量為120～140mm，最大下沉量為160mm，靠近實體煤幫下沉量為100～120mm，巷道幫部變形量集中于60～80mm，最大變形量為120mm，位于幫部偏下靠近底板區域，巷道底板最大底鼓量為180mm，位于巷道底板中部區域，巷道臨時支護支架在支護過程中有穿底現象，在實際使用過程中應采取措施硬化巷道底板增加底板圍巖剛度與強度，使底板-支架-頂板具有良好的耦合效果，充分發揮臨時支護支架的承載作用，確保沿空切頂巷道支護效果。

5? 結語

根據現有沿空留巷支護工藝及相關支護方式、支護裝備的基礎上，針對現有的沿空留巷支護工藝裝備中存在的不足，對沿空切頂留巷關鍵技術進行研究，采用ZQL2820/22.5/38型巷道臨時支護支架+WCL5Y防爆柴油機履帶式運輸車對沿空切頂留巷進行加強支護，可實現沿空留巷巷道230m無反復支撐，避免破壞錨網索體，保證了頂板完整性與穩定性，有效保證了沿空切頂成巷后巷道的成型效果，實現沿空留巷工作面臨時支護支架快速移動，減輕工人的勞動強度，提高資源回收率。

參考文獻：

[1]何滿潮，馬新根，牛福龍，等.中厚煤層復合頂板快速無煤柱自成巷適應性研究與應用[J].巖石力學與工程學報，2018，37（12）：1-15.

[2]康紅普，牛多龍，張鎮，等.深部沿空留巷圍巖變形特征與支護技術[J].巖石力學與工程學報，2010，29（10）：1977-1987.

[3]何滿潮，陳上元，郭志飚，等.切頂卸壓沿空留巷圍巖結構控制及其工程應用[J].中國礦業大學學報，2017，46（5）：959-969.

[4]何滿潮，曹伍富，單仁亮，等.雙向聚能拉伸爆破新技術[J].巖石力學與工程學報，2003，22（12）：2047-2051.

[5]何滿潮，高玉兵，楊軍，等.厚煤層快速回采切頂卸壓無煤柱自成巷工程試驗[J].巖土力學，2018，39（1）：254-264.

[6]李剛.較薄煤層履帶行走液壓支架支護參數確定及應用[J].煤炭科學技術，2015，43（6）：107-111，121.