無煤柱切頂留巷圍巖控制研究及應(yīng)用

牛剛強(qiáng)

（山西晉煤集團(tuán)晉圣億欣煤業(yè)，山西 晉城 048200）

1 工程概況

億欣煤礦1306 工作面開采15#煤，工作面相鄰的是1307 采面。工作面走向長461 m，傾向長度200 m。工作面采用綜合機(jī)械化長壁開采工藝，煤層產(chǎn)狀穩(wěn)定，平均厚度約為2.3 m，近水平煤層，煤層傾角約為3°，煤層上部有0.3 m 厚的夾矸層。由于國內(nèi)鮮有對15#煤采用“110”工法的應(yīng)用，為了充分回收煤炭資源，同時給1307 工作面的回采提供便利，針對15#煤堅硬頂板進(jìn)行了無煤柱自成巷開采技術(shù)研究及應(yīng)用，提高了經(jīng)濟(jì)效益，緩解了采掘接替緊張，延長了煤礦的生產(chǎn)年限。

2 切頂留巷巷道應(yīng)力分布及切頂參數(shù)設(shè)計

2.1 切頂留巷應(yīng)力分布特征

切頂留巷后，巷道圍巖的應(yīng)力分布會發(fā)生變化，而巷道支護(hù)需要有針對性地對巷道不同區(qū)域進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，因此首先對切頂留巷的應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析，如圖1 所示。切頂成巷工藝主要通過在工作面超前區(qū)域頂板爆破，切斷煤層上的堅硬頂板，分離采空區(qū)頂板和巷道頂板，使實(shí)體煤和巷道頂板形成短壁梁結(jié)構(gòu)。可以將沿工作面推進(jìn)方向頂板的應(yīng)力分為三個區(qū)域：A-原巖應(yīng)力區(qū)域，B-應(yīng)力增高區(qū)，C-應(yīng)力降低區(qū)。

圖1 切頂留巷圍巖應(yīng)力分布特征

根據(jù)切頂留巷圍巖應(yīng)力分布可知，切頂使頂板充分垮落后，留巷整體處于B-應(yīng)力增高區(qū)域，從采空區(qū)到實(shí)體煤部分的應(yīng)力逐漸增大至峰值應(yīng)力。由于切頂留巷需要對工作面頂板超前預(yù)裂爆破，爆破后頂板的垮落高度比傳統(tǒng)采煤工藝明顯增大，特別是1306 工作面頂板的巨厚礫巖會使冒落高度更高，因此需要對巷內(nèi)設(shè)計較強(qiáng)的支護(hù)阻力，并且盡量靠近實(shí)體煤。其次，工作面周期來壓顯現(xiàn)之前，頂板懸露長度小于周期來壓步距，當(dāng)頂板發(fā)生周期性破斷后在采空區(qū)發(fā)生垮落，并且覆蓋擠壓垮落的矸石。矸石在垂直應(yīng)力作用下，會發(fā)生側(cè)向移動，如果巷道幫部沒有良好的擋矸支護(hù)，矸石會被切落的頂板壓實(shí)后涌入留巷內(nèi)，影響留巷效果。因此，巷道的支護(hù)設(shè)計需要重點(diǎn)對留巷頂板以及采空區(qū)一側(cè)的巷幫進(jìn)行有針對性的設(shè)計。

2.2 切頂留巷參數(shù)分析

切頂參數(shù)的合理性對切頂留巷的效果有重要的影響，因此需要根據(jù)實(shí)際工程條件確定切縫的高度、角度以及爆破孔設(shè)計等相關(guān)的參數(shù)。切縫高度的計算公式如式（1）所示。

式中：Hm表示煤層厚度；2.3 m；Hk1為頂板下沉量，m；Hk2表示巷道的底鼓量，m；K 為巖石的碎脹系數(shù)，取1.2。由于煤層上方有0.3 m 的夾矸層，故而頂?shù)装逡平偭堪凑?.3 m 計算。代入以上數(shù)據(jù)，計算得切縫高度10 m。

爆破鉆孔的角度ɑ 與工作面采高M(jìn) 息息相關(guān)，一般有以下三種情況選擇：（1）當(dāng)M ≤1 m 時，ɑ設(shè)計為20°；（2）當(dāng)1 m ＜M ≤3 m 時，ɑ 設(shè)計為15°；3 m ＜M ≤5 m 時，ɑ 設(shè)計為10°。因為億欣煤礦1306 工作采高為2.3 m，故而ɑ 設(shè)計為15°。爆破孔的間距為500 mm，每個孔用6 根聚能管，炮泥封孔長度為2.5 m。

3 切頂留巷支護(hù)及留巷效果分析

3.1 切頂留巷支護(hù)設(shè)計

留巷成功的關(guān)鍵是能否有效的控制巷道的變形，尤其是在采動影響下巷道圍巖變形量的控制和巷道圍巖整體性的穩(wěn)固。根據(jù)上述分析可知，巷道支護(hù)設(shè)計除了要保證工作面采動影響下頂板的變形，也要加強(qiáng)對幫部尤其是采空區(qū)一側(cè)的支護(hù)。

針對1306 綜采工作面推進(jìn)過程中采空區(qū)垮落情況以及工作面來壓的現(xiàn)場勘查和數(shù)據(jù)分析，為了防止采空區(qū)矸石涌入巷道以及留巷內(nèi)圍巖的穩(wěn)定，1306 綜采工作面運(yùn)輸順槽沿空留巷巷旁及巷內(nèi)進(jìn)行分段支護(hù)設(shè)計。

將留巷巷道劃分為3 個區(qū)域：

（1）巷道超前支護(hù)區(qū)域：在工作面前方30 m范圍內(nèi)。超前支護(hù)區(qū)域主要是工作面超前支承應(yīng)力的峰值影響范圍，30 m 范圍內(nèi)受到采動影響較大。在該區(qū)域采用單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，在破碎機(jī)兩側(cè)各打兩根，排距1 m。

（2）留巷重點(diǎn)維護(hù)區(qū)域：在工作面液壓支架后方200 m 范圍內(nèi)。留巷重點(diǎn)維護(hù)區(qū)域主要是采空區(qū)頂板發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉的區(qū)域，影響范圍往往在液壓支架后200 m 的范圍內(nèi)，巷道圍巖變形劇烈，因此要重點(diǎn)維護(hù)。該區(qū)域巷道按照“一梁四柱”設(shè)計，即π 型梁下由4 根單體液壓支柱支撐，單體柱間距1 m，排距1 m。巷內(nèi)支護(hù)如圖2 所示。

圖2 巷內(nèi)支護(hù)斷面圖

由圖2 可知，切頂留巷的切縫深度為10 m，角度為15°。為了防止切線處頂板發(fā)生意外冒頂，沿著切頂裂隙布置一排單體支柱，并在巷道內(nèi)補(bǔ)打3根大變形恒阻錨索，錨索規(guī)格為直徑21.8 mm，長度12.3 m。垂直于頂板的兩根錨索間距1000 mm，另一根以15°的傾角向?qū)嶓w煤方向設(shè)計。

同時，為了防止采空區(qū)一側(cè)的矸石在頂板下沉的影響下向巷道內(nèi)涌入，巷道內(nèi)還需要設(shè)計相應(yīng)的擋矸支護(hù)。巷旁擋矸支護(hù)斷面如圖3 所示。巷旁擋矸支護(hù)也按照“一梁四柱”設(shè)計，鉸接梁下方布置四根單體支柱，單體支柱排距為1000 mm。同時，采空區(qū)巷幫設(shè)計可縮性U 型鋼與內(nèi)掛鋼筋網(wǎng)聯(lián)合擋矸，與單體柱交錯布置。U 型鋼間距為500 mm，鋼筋網(wǎng)尺寸選用1000 mm×2000 mm，搭接長度200 mm。

圖3 巷旁擋矸支護(hù)斷面圖

（3）留巷穩(wěn)定區(qū)域：工作面液壓支架后方200 m范圍之外。巷道頂板已經(jīng)完成回轉(zhuǎn)下沉，逐漸被壓實(shí)，采空區(qū)的矸石也被壓實(shí)，整體處于一個受力平衡的狀態(tài)，基本不受工作面采動的影響，巷道內(nèi)壓力也較小。因此，可以將巷道內(nèi)原來“一梁四柱”的高阻力支護(hù)改為“一梁三柱”，待礦壓進(jìn)一步穩(wěn)定后改為“一梁二柱”，最后直至將全部單體柱撤回，只保留巷幫可縮性U 型鋼及金屬網(wǎng)進(jìn)行擋矸支護(hù)。

3.2 留巷效果檢驗

為分析切頂留巷效果，在工作面液壓支架上安裝應(yīng)力傳感器，間距15 m，在巷道內(nèi)安裝頂?shù)装逦灰票O(jiān)測裝置和擋矸壓力傳感器各10 臺。為保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，兩種設(shè)備交錯布置，間距均為20 m。留巷的效果考察主要在工作面后方200 m 范圍內(nèi)進(jìn)行，這個范圍的巷道變形量最大，如果得到有效控制，則證明留巷支護(hù)方案合理。

通過整理不同位置液壓支架的循環(huán)末始阻力發(fā)現(xiàn)，15#煤基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄酁?0～15 m，施工切頂爆破一側(cè)頂板周期來壓顯現(xiàn)較弱。其中，工作面中部液壓支架的最大支護(hù)阻力顯示為30.7 MPa，爆破切頂一側(cè)液壓支架與中部支架阻力相比，壓力降低約16%，并且波動較小。爆破切縫一側(cè)壓力減小表明切縫高度設(shè)計合理，能切斷頂板上覆堅硬巖層，直接頂和基本頂破斷后，能夠有效充填采空區(qū)，并且依靠自身回轉(zhuǎn)下沉達(dá)到受力平衡，巷道上部巖層懸臂長度減小，進(jìn)而使巷內(nèi)壓力顯現(xiàn)減弱。

通過在留巷內(nèi)觀測巷道的變形量，來進(jìn)一步驗證支護(hù)的效果。在巷道內(nèi)采用十字測點(diǎn)法，測點(diǎn)間隔10 m，用來收集留巷頂板的下沉量和底鼓量的變形規(guī)律，進(jìn)而分析巷道圍巖的整體變形特征。變形量數(shù)據(jù)整理后如圖4 所示。

由圖4 可知，隨著工作面距離巷道布點(diǎn)位置越來越遠(yuǎn)，巷道頂?shù)装宓淖冃瘟恐饾u趨于穩(wěn)定。測點(diǎn)處于工作面后方25～75 m 內(nèi)，巷道變形速率快，礦壓顯現(xiàn)劇烈，因此需要重點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)管。當(dāng)工作面距離測點(diǎn)位置在75～100 m 時，巷道圍巖變形速率增長緩慢。在測點(diǎn)位置滯后工作面100 m 后，留巷的頂?shù)装逡平考s為1 mm/d。

圖4 留巷頂?shù)装遄冃翁卣?/p>

最終巷道頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在370 mm，其中頂板下沉量為315 mm，巷道底鼓量為55 mm，沒有出現(xiàn)大變形或冒頂?shù)仁鹿剩粝飮鷰r整體變形量在合理范圍內(nèi)，工作面順利回采。

4 結(jié)論

（1）用切頂無煤柱自動成巷的理論分析了留巷圍巖應(yīng)力分布和巷道圍巖變形特征，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件設(shè)計了留巷幫部擋矸支護(hù)和巷內(nèi)支護(hù)的方案。

（2）通過觀測液壓支架應(yīng)力變化和留巷頂?shù)装逡平繑?shù)據(jù)可知，切頂留巷有效減小了巷道的壓力，巷內(nèi)頂?shù)装逡平孔畲鬄?70 mm，回采過程中，工作面后方100 m 的巷道圍巖基本不發(fā)生變形。