檸條塔煤礦大采高工作面110工法擋矸支護實踐

陳萬勝，劉 輝，陳 菲，陳奎奎

(1.陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司，陜西 榆林 719300；2.中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程實驗室，北京 100083)

0 引言

本世紀初，何滿潮院士[1-3]提出了“切頂短臂梁”理論和無煤柱自成巷開采技術[4-6](或稱110工法)，該技術采用雙向聚能張拉成型爆破技術[7-11]超前預裂頂板，在采場周期來壓作用下將頂板按設計位置切落，從而切斷了頂板的應力傳遞；利用矸石自身碎脹特性使垮落的矸石碎脹后形成對上覆巖層的支撐結構，以達到控制上覆巖層的回轉和下沉變形的目的；同時切落的頂板在擋矸支護作用下自動形成巷幫，隔斷采空區，進而保留該順槽巷道作為相鄰工作面的回采巷道繼續服務。該工法減小了采掘比，實現了無煤柱開采，避免了留設煤柱造成的資源浪費，提高了回收率，同時有效防止了留設煤柱引發的應力集中、沖擊地壓、煤層自燃等煤礦災害[12-16]。

根據110工法施工特點，工作面回采后頂板巖石將逐漸垮落，矸石在垮落、擠壓、碰撞的過程中有向巷內竄出的趨勢，同時碎石幫在未壓實穩定時容易向巷內鼓出變形，因此實施過程中必須對采空區巷幫進行擋矸支護。針對該問題，國內外學者對矸石飛竄的防治問題做了一些研究。例如，曹樹剛等[17-19]研制了帶金屬網的四門組合輕型架間擋矸裝置，通過現場試驗和數值模擬證明了其安全可靠、結構簡單、輕便易換等特性；丁成群等[20]針對大傾角高檔普采工作面研制了液壓擋矸裝置，有效地控制了大塊矸石滾落傷人現象。然而，大采高開采條件下煤層厚、采出空間大，在切頂留巷過程中，大采高工作面頂板巖體垮落至底板時動能比采高較小時更為強烈，給留設巷道采空區側的巷幫支護帶來很大困難。為此，以檸條塔煤礦大采高工作面110工法工程試驗為背景，通過擋矸支護現場試驗比選，對最優擋矸支護方式、支護材料進行探索。

1 工程概況

檸條塔井田位于陜西省神木縣中部，為神府東勝礦區的一部分(神南礦區)，進行110工法試驗的S1201工作面為典型的厚煤層大采高綜采工作面。S1201工作面位于井下南翼2-2號煤西大巷北側，走向長3 010.3 m，傾斜長295 m，面積888 038.5 m2。工作面采用一次采全高、走向長壁后退式、綜合機械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。該工作面煤層厚度4.17～4.80 m，設計采高4.35 m。直接頂為灰色薄層狀粉砂巖，厚度為2.82～5.04 m，直接底為0～1.3 m的砂質泥巖，基本頂為淺灰色、淺白色細粒石英砂巖，厚度5.4～20.63 m。該工作面礦壓觀測結果顯示，基本頂周期來壓步距平均為16.2 m，周期來壓強度平均為42.7 MPa。

2 試驗方案設計

由于檸條塔煤礦S1201工作面頂板以砂巖為主，垮落的矸石塊整體較大，導致側向沖擊力較大，同時針對檸條塔煤礦的大采高條件，為探索經濟有效的擋矸支護方式和支護材料，研究過程中設計了多種擋矸支護方案并進行了現場試驗比選。擋矸支護試驗方案主要有9種(詳見表1)，試驗位置如圖1所示。

表1 擋矸試驗方案Table 1 Test scheme of retaining gangue

圖1 擋矸試驗位置分區Fig.1 Location division of gangue retaining test

3 試驗效果分析

由于不同擋矸方式的材料強度和抗彎性能不同，因此在采空區矸石的沖擊力作用下將會產生不同程度的反映，以最大幫鼓量為研究對象進行試驗效果分析，統計結果如圖2所示。

圖2 不同擋矸方案最大幫鼓量統計Fig.2 Statistics of maximum side heave amount of different gangue retaining schemes

從統計結果可以發現，采用方案5(全部采用單體液壓支柱)和方案9(堆砌擋矸墻)幫鼓量較小，主要原因是單體液壓支柱有初撐力，與頂板作用力較大，單體與頂板相互作用產生摩擦力，能夠起到較好的擋矸作用。期間試驗5 m距離的擋矸墻，墻體在U型鋼外進行堆砌，因此幾乎無幫鼓變形，然而砌墻不僅工程量大而且施工復雜，巷道下沉較大時容易產生龜裂、坍塌。

方案6、7、8巷幫最大變形量較為接近，主要原因是采用了單體斜撐。單體斜撐能夠提供較大的水平抵抗力，防止巷幫鼓出，因此對于大采高，采用單體斜撐是一種防止幫鼓的有效方法。

方案1、2、3、4變形量較其它方案大，分析其原因為采用工字鋼或木點柱作為擋矸支護材料，木點柱極易與頂板脫頂，只剩間距較大的單體擋矸；工字鋼抗彎性能較差，導致幫鼓量增大。對工字鋼、U型鋼和單體支柱的彎曲損壞個數進行統計，如圖3所示。從統計數據可以發現，工字鋼是最容易損壞的擋矸設備，而單體和U型鋼損壞相對較少。

圖3 不同擋矸設備損壞所占比例Fig.3 Damage ratio of different gangue retaining equipment

綜合分析可知，單體液壓支柱和U型鋼是抗彎性能較好的擋矸材料，擋矸效果良好。然而，單體液壓支柱成本高，且彎曲后無法循環利用，因此最終確定采用U型鋼+單體斜撐(即方案8)的擋矸支護方式。同時根據試驗效果，確定U型鋼支護間距為600 mm，最終擋矸支護效果如圖4所示。

圖4 最終擋矸方案Fig.4 Final gangue retaining scheme

4 擋矸支護施工應用

在機頭位置工作時，作業人員需在空頂下作業，容易造成安全隱患。因此，端頭架的移動方式相對傳統工藝應做適當改變。如圖5所示，端頭支架3向工作面中部移動一段距離使端頭支架3的右邊界與巷道正幫齊平，端頭支架1、2向工作面前方移動0.8 m，給工作人員留出空間進行掛網擋矸及臨時加強支護施工，保證施工安全，過程中用到的材料設備可通過聯巷輸送。

圖5 端頭架移動位置示意Fig.5 Schematic diagram of moving position of end support

施工前需做好準備工作，將所有使用材料提前運至指定地點。然后進行隱患排查，處理安全隱患，應將周圍雜物及其他閑置備件等全部運走，并經確認安全后方可進行施工。擋矸支護施工示意圖，如圖6所示。

圖6 擋矸支護施工示意Fig.6 Construction sketch of gangue retaining support

待巷道內的1、2號端頭架移架后，及時進行架后臨時支護，架設“一梁五柱”。進行掛網作業時，應防止采空區矸石躥入巷道，可首先鋪設鐵絲網，將其中一端與巷幫頂部網搭接，另一端與底板接觸，而后固定鋼筋網。按照設計參數使用U型鋼進行擋矸支護，U型鋼沿巷道走向呈一條直線，為防止U型鋼與底板之間發生滑動，底部臥底200 mm。在本試驗方案的現場實際應用中，從未發生垮落矸石竄入巷道導致傷人、毀壞設備的現象，為井下的安全生產提供了保障，在同樣的生產條件下大大的提高了生產效率。

5 結論

(1)擋矸試驗中依據巷道幫鼓量、擋矸結構失效情況、擋矸成本等因素綜合確定可伸縮U型鋼支護是一種很好的擋矸支護方式；通過對比9種擋矸支護方案的試驗結果，得到了安全可靠、經濟有效的擋矸支護方案：全部U型鋼+斜撐。

(2)通過本支護方案的現場實際應用，有效防止了垮落矸石躥入巷道內以及碎石幫在未壓實穩定時向巷內鼓出變形，對人員和設備的安全提供了重要保障，同時該研究結果亦為類似條件下巷幫支護設計提供了參考，對切頂留巷技術的進一步推廣具有重要意義。