薄煤層“110工法”成巷質量影響因素分析

何文帥，黨 輝，梁思哲，李 磊

(1.陜西瑞能煤業有限責任公司，陜西 延安 727307；2.陜西秦安煤礦安全評價事務有限公司，陜西 西安 710001)

0 引言

黃陵礦業瑞能煤業公司于2017年6月22日開始實施切頂卸壓自動成巷開采技術，并率先在117綜采工作面進行試驗與應用。截至2019年5月，累計完成留巷2 100 m，其中117綜采工作面留設巷道已完成下區段115綜采工作面回采服務工作，115綜采工作面留設巷道已為下區段113綜采工作面服務560 m，113綜采工作面目前已留巷180 m。

1 切頂卸壓自動成巷設計

1.1 工程背景

1.1.1 工作面概況

117綜采工作面開采煤層為2號煤層，工作面埋深65～260 m，自117工作面開切眼至950運輸大巷，煤厚由1.0 m逐漸變為2.0 m，平均1.45 m，工作面最低采高1.6 m，超過1.6 m煤層一次采全高，煤層傾角2°～5°，平均3°，煤塵具有爆炸危險性，屬自燃煤層，順槽長度約1 026 m，工作面回采長度為980 m，工作面長151 m。頂板以細粒砂巖為主，厚度9.3～11.07 m，灰白色夾薄層泥巖。工作面直接頂板為泥巖或砂質泥巖，厚度0.8～2.24 m，穩定性相對較差，受采動影響易破碎。底板以泥巖為主，厚度0～2.17 m，局部夾根土巖，厚度0～0.97 m，分布于工作面開口局部段。

1.1.2 支護情況

117工作面進風巷巷道斷面為矩形，掘進寬度為4.0 m，掘進高度為2.5 m，凈斷面積為10 m2。頂板采用“錨網+錨索梁”支護方式作為永久支護。錨桿采用規格為φ20 mm×2 200 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，布置方式采用“5-5”矩形布置，間排距為800 mm×800 mm；錨固方式采用2節樹脂藥卷端頭錨固，樹脂藥卷分別為MSK2360與MSCK2335型；鋼筋網采用規格為0.9 m×3.4 m、直徑為6 mm的鋼筋焊接網，鋼筋網搭接寬度為50 mm。錨索采用φ15.24 mm×8 300 mm高強度預應力鋼絞線，布置方式采用“2-2”布置，間排距為1 600 mm×2 400 mm，錨固方式采用三節MSCK2360樹脂藥卷端錨；錨索梁采用14#槽鋼，長度為3 000 mm。巷道兩幫用“錨網+梯子梁”作為永久支護，布置方式均為“3-3”矩形布置；巷道兩幫錨桿采用規格為φ18 mm×1 850 mm玻璃鋼錨桿，鋪設規格為2.4 m×5.4 m的塑料編織網；兩幫錨桿間排距均為800 mm×1 000 mm，錨固方式采用兩節MSCK2335樹脂藥卷端錨，原巷道支護如圖1所示。

圖1 117工作面進風巷支護斷面

1.2 切頂卸壓自動成巷設計

1.2.1 恒阻大變形錨索支護設計

為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加強支護[7-10]。恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，共布設2列，近實體煤側排距2 400 mm，距巷中線400 mm；沿空側排距800 mm，沿空側恒阻錨索距巷幫500 mm。恒阻大變形錨索直徑取為21.8 mm，根據切縫參數，鋼絞線長度均取8.3 m，恒阻器長500 mm，外徑79 mm，恒阻值為33±2 t，預緊力不小于25 t。

文中所用的資料為中國空氣質量監測平臺公布的2015～2018采暖季西安市空氣質量指數（AQI）以及該時間段大氣主要污染物（PM2.5、SO2、PM10、NO2、O3）月平均質量濃度值。每月陰、晴天等天氣狀況由天氣網查詢統計得到。每月大氣主要污染物月平均質量濃度值由13個監測站取算術平均值求得，主要參數有溫度、濕度、主要污染物月平均質量濃度值等。

1.2.2 頂板預裂切縫參數設計

參數計算：切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術頂板預裂采用雙向聚能爆破預裂技術將巷道頂板與采空區頂板預裂切縫，切斷二者之間的應力傳遞[11-14]。該爆破技術是在對比研究多種聚能爆破和定向爆破方法的基礎上發展起來的一種新型聚能爆破技術，施工工藝簡單，應用時只需要在預裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向對應于巖體預裂方向。爆轟產物將在兩個設定方向上形成聚能流，并產生集中張拉應力，使預裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預裂面。由于鉆孔間的巖石是斷裂的，爆破炸藥單耗將大大下降，同時由于聚能裝置對圍巖的保護，鉆孔周邊巖體所受損傷也大大降低，可以達到實現預裂的同時又可以保護巷道頂板。預裂切縫深度(H縫)臨界設計公式為

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(1)

式中，ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為采空區頂板巖層碎脹系數，一般為1.3～1.5。根據以往工程經驗，對于類似117工作面復合頂板，初步計算時K可取1.34。117工作面最小采高1.6 m，最大采高2.2 m。通過前述數值模擬分析，對于一定采高的工作面，切頂高度的增加可有效減弱巷道圍巖應力集中，對于一定切頂高度的工作面，采高越小，巷道圍巖壓力將相應減小。因此，對于117工作面，計算切頂高度時均按最大采高進行設計，即2.2 m。在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，根據上述切頂高度計算公式，可得出計算切頂高度約6.47 m。

試驗參數及切縫布置：根據工作面數值分析結果，同時考慮到施工的便捷性，取切頂高度為6.0 m，切縫線與鉛垂線夾角10°，切縫孔距離117工作面煤壁200 mm，根據以往工程經驗，考慮到切縫施工的經濟性，切縫孔間距初步設計為500 mm。炮孔試驗參數及切縫布置如圖2和圖3所示。

圖2 炮孔參數試驗布置

圖3 117工作面進風巷頂板切縫設計

1.2.3 架后巷道支護設計

工作面劃分：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，工作面開采后，頂板開采垮落，且從垮落到穩定需要一定的時間，因此距工作面較近的架后區域不僅需要進行頂板支護，還需進行擋矸支護。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，此時可將架后臨時支護的設備撤掉，只進行擋矸支護即可。根據以往現場監測數據，工程實施前暫先將工作面附近劃分為超前支護區(工作面前方20 m)、超后臨時支護區(架后0～200 m)和成巷穩定區(架后200 m之后)，不同分區采取不同的支護措施，分區如圖4所示。

圖4 巷道不同位置臨時支護分區

超前支護區(煤壁前方0～20 m)：此段巷道位于工作面超前采動影響區，需要超前加強支護。結合工作面現有設備條件，超前支護仍采用原支護方式的單體液壓支柱進行支護。

超后臨時支護區(架后0～200 m)：此段巷道位于工作面超后影響區，受動壓影響明顯，巷道頂板壓力較大根據現場條件，設計U型鋼+鋼筋網+單體液壓支柱支護。架后0～200 m巷中采用單體液壓支柱+花邊梁進行頂板加強支護，間排距800 mm×800 mm。巷旁采用U型鋼+鋼筋網+單體液壓支柱支護的支護方式，單體支柱與U型鋼間距為500 mm，相鄰U型鋼通過兩根拉桿連接。

成巷穩定區(架后200 m之后)：此段巷道受采動影響很小，頂板下沉量及單體支柱的壓力變化很小，可認為該區域已趨于穩定狀態，可將臨時支護單體撤掉，只保留U型梁進行擋矸，擋矸支護采用U型梁，U型梁間距500 mm。成巷區臨時支護平面如圖5所示。

圖5 成巷區臨時支護平面展開圖

2 影響成巷質量的因素

2.1 文明生產

黃陵礦業瑞能煤業公司施工恒阻錨索采用普通錨桿機進行施工，預裂切縫孔施工采用切縫鉆機進行施工。采用“濕式作業”，隨著留巷工程的推進，117綜采工作面留巷作業段巷道底板積水增加，底板泥巖長期浸泡水中膨脹形成淤泥，造成該巷道現場文明施工差。人員行走不便，為軌道運輸增加了安全隱患，影響成巷質量，即便工作面推采過后巷道底板仍有積水淤泥。

2.2 支護質量

支護質量是留巷質量的關鍵因素之一，當圍巖發生大變形破壞時，恒阻大變形錨桿可以吸收巖體變形能，使圍巖中的能量得到釋放。恒阻大變形通過結構變形吸收變形能量，吸收能量巷道在回采期間過程中錨桿仍然能夠保持恒定的工作阻力和穩定的變形量，從而實現了巷道圍巖的穩定，因此恒阻錨索支護質量直接決定留巷成敗。117進風巷恒阻錨索施工完畢后，按照要求，鋼絞線初始外露長度為150～200 mm，經工作面推采過后，隨著采空區頂板垮落，留巷頂板壓力的增大，恒阻錨索開始出現異常情況，117綜采工作面留巷工程量為980 m，根據實際統計，恒阻錨索共計施工1 680個，損壞26個，不合格率為1.55%，錨索損壞類型有鎖具夾片個別掉落、錨索恒阻器斷裂、錨索錨固段下沉、鎖具不能有效夾持鋼絞線等。

2.3 預裂切縫效果

117工作面完成推采后，117進風巷現場存在兩處成形較差，采空區側頂板下沉量增大，巷道呈“梯形”。117進風巷距離切眼4～10 m段頂板下沉量明顯增大，原巷道高度2 450 mm，推采過后巷道高度1 900 mm，根據頂板移近量及現場測量數據顯示該段巷道頂板下沉量約170mm，底板鼓起380 mm，巷道寬度無明顯變化，距離切眼10～20 m段頂板下沉量實測為10 mm。117進風巷從切眼起沿回采方向161～166 m段，頂板下沉量達到150 mm，底板鼓起290 mm，巷道副幫煤壁片幫，巷道呈明顯梯形狀，頂部原錨索梁變形，原錨索脫落，壓力顯現明顯。

3 產生原因及對策

3.1 產生原因

文明生產:117綜采工作面直接底為泥巖，巖層厚度1.77～2.4 m，為灰黑色砂質泥巖，底板遇水膨脹，易形成淤泥。施工過程中不能有效將施工廢水收集抽排，導致廢水在巷道積聚，底板受水浸泡時間較長后形成淤泥。

支護質量:根據錨索工作原理，恒阻錨索二次預緊時破壞夾片內側螺紋，導致其咬合能力下降，當頂板來壓錨索受力增大時鋼絞線與夾片之間產生相對滑移。鋼絞線強度與夾片強度不匹配，鋼絞線強度偏高或夾片強度偏低導致夾片內側螺紋無法嵌入鋼絞線表面。夾片熱處理不過關，導致其硬度明顯低于設計要求。恒阻錨索施工過程中，錨索與樹脂藥卷攪拌、凝固時間較短，鋼絞線不能有效錨固，工作面推采過后，錨固端失效，錨索下沉失效。

預裂爆破:117回風巷道切縫線施工過程中，距離切眼4～10 m段6個預裂切縫孔被堵塞，無法裝藥，未進行爆破；工作面回采前預先對10～20 m段切縫孔進行了窺視，根據窺視及計算結果可知，切縫線10～20 m段裂縫率達98%，切縫孔平均深度6.1 m(裂縫率=形成切縫線深度/切縫孔深度)；然而切眼外4～10 m段裂縫率為0。在工作面推采至117回風巷從切眼起沿回采方向161～166 m段前，對該段切縫孔進行了窺視，共計窺視切縫孔10個，其中7個切縫孔孔內出現坍塌現象、坍塌高度不等，另外3個切縫孔裂縫率只有70%，切縫質量較差。

3.2 提高成巷質量的對策

文明生產管理:“110工法”施工前，必須在巷道內施工排水渠，加強水泵檢修。施工過程中，加強施工期間廢水收集，及時抽排廢水，經常清理排水渠，確保排水工作正常進行。

支護質量管理：加強現場施工監督管理，建立施工日志，并由技術人員對現場施工進行全過程跟蹤。加強支護質量驗收，及時進行錨索拉拔力試驗。恒阻錨索施工一次性預緊至設計值，避免二次預緊。據統計，黃陵礦業瑞能煤業公司115綜采工作面實施“110工法”中，恒阻錨索共計施工1550根恒阻錨索，損壞僅有3根，損壞率0.2%，損壞率大大降低。

預裂爆破管理：加強預裂切縫爆破管理，嚴格按照設計要求進行施工爆破，嚴禁出現不爆破現象；爆破前必須確保封泥長度達到1.5 m，并用專用工具將炮泥搗實。

其他方面：加強爆破施工專業隊伍建設。黃陵礦業瑞能煤業公司“110工法”交由綜采隊施工后，該隊成立專門的預裂爆破小組進行施工，后續爆破質量得到有效提升，留巷質量大大提高。

4 結語

在實施薄煤層切頂卸壓開采技術過程中，應加強施工隊伍建設，成立專業預裂爆破小組，專門負責實施頂板預裂爆破施工，并定期進行培訓。此外，應加強施工過程中設備用水管理，加強廢水收集管理，進一步完善巷道內排水系統，及時清理排水渠，保證巷道濕度。支護質量管理方面，應當對恒阻大變形錨索施工進行過程監督，及時驗收支護質量。爆破管理方面應嚴格按照設計進行爆破，嚴禁出現瞎炮、不爆破現象。