常興煤業厚層軟頂預裂充填沿空留巷技術研究

張家榮

（常興煤業有限公司，山西 蒲縣 041207）

至2030 年我國的煤炭需求量在38 億t，雖然其他化石能源和可再生能源開采技術取得了明顯的進步，但是在很長的一段時間內，煤炭的主體消費能源地位不會動搖。為適應新時代特征，煤炭行業正向高效、節約、安全的發展道路轉變，由過去的粗放開采到現在的科學采礦[1-2]。近年來，無煤柱護巷理念得到越來越多專家學者的認可，無煤柱護巷具有減少巷道開掘工程量、緩解工作面接續緊張、改善工作面通風系統等優點，廣泛應用于我國大中小礦井[3-5]。

1 概況

常興煤業5#煤層某工作面含0～1 層夾矸，煤層賦存平緩，煤層傾角平均3°，煤層上覆15 m 厚的軟弱巖層。該部分巖層由巖性軟弱的泥巖、砂巖、砂質泥巖等多種巖層構成，各巖層厚度在1.0～3.0 m左右，如表1。試驗巷道為該工作面回風順槽，開掘斷面為矩形斷面，斷面尺寸為4.2 m×2.4 m（寬×高），支護方式采用錨網索聯合支護。其中，錨桿直徑18 mm，長度1.8 m，間排距0.7 m×0.7 m，錨索直徑17.8 mm，長度8.5 m，間排距1.5 m×1.4 m。

2 試驗巷道變形破壞特征

現場調研發現，試驗巷道變形破壞嚴重，圖1為巷道變形破壞實拍圖。如圖所示，巷道局部出現煤幫破碎、鼓出和頂板鼓包破碎現象，這主要是由于采動影響和軟巖破碎膨脹相互作用下，巷道軟弱頂板巖層裂隙發育明顯，造成局部錨固支護結構失效，從而導致頂板區域性垮落，靠近巷幫的煤體縱向約束力降低，而較遠的煤體縱向約束力增加，擠壓幫部煤體，從而誘發巷幫大變形。

表1 工作面巖層情況

圖1 巷道變形破壞實拍圖

3 預裂充填沿空留巷穩定控制機理

開采煤層上覆層厚較大的軟巖頂板，由于沒有穩定巖層承載，受采動影響，頂板巖層持續劇烈回轉破斷，造成沿空留巷圍巖結構劇烈擾動，頂板巖層已發生整體離層，誘發巷道支護結構失穩。圖2為厚層軟頂預裂充填沿空留巷結構示意圖。采用預裂切頂的方法對鄰近采空區頂板巖層進行切落，切斷巷道厚層軟頂與巷道頂板的聯系，縮短巷道側向頂板懸露長度，減小采空區頂板破斷垮落時間，從而降低沿空留巷受到的采動影響，同時利用厚層軟頂的碎脹性能充填采空區，并對上覆巖層起到一定的承載作用，實現預裂充填留巷。

4 頂板預裂充填沿空留巷技術

4.1 頂板預裂充填技術

沿工作面區段巷道向工作面方向的頂板超前15 m 范圍內施工預裂鉆孔，鉆孔直徑為50 mm，長度為10.0 m，鉆孔間距為2.0 m。鉆孔內采用不耦合裝藥方式，炸藥采用煤礦許用乳膠炸藥，藥卷外徑35 mm，采用安全電雷管引爆，炸藥布設在PVC 管內。PVC 管內徑36 mm，壁厚2 mm，設計兩段，每段2.3 m，管壁上設置對穿鉆孔用于提高裂縫效果。對穿鉆孔規格：孔徑5 mm，間距30 mm，封孔長度5.2 m，如圖3 所示。

圖2 厚層軟頂預裂充填沿空留巷結構示意圖

4.2 沿空留巷支護技術

圖4 為沿空留巷支護參數與現場單體支護圖。其中，a 為超前頂板支護平面圖，b 為滯后工作面單體支護加強支護現場。

超前工作面范圍內巷道采用錨梁主動支護。錨索直徑為17.8 mm，長度為8.5 m，錨索沿距回采面煤壁0.5 m 處施工，排距1.2 m。梁采用礦用工字鋼加工制作，工字鋼規格11#，長3.0 m。每3 根錨索配套1 根工字鋼，每根錨索配套專用鎖具、墊圈和高強托盤，托盤規格0.3 m×0.3 m×0.16 m。每根錨索配套2 支MSZ2360（外側）和1 支MSK2335（內側）樹脂錨固劑。錨索鉆孔深度8.2 m，外露長度小于0.3 m，保證錨索錨固長度不低于1.5 m。

滯后工作面30 m 范圍內采用單體液壓支柱進行頂板加強支護，單體液壓支柱規格DW28-250/100，距采空區幫0.5 m 安裝，柱距1.0 m。采用鋼梁配套塑料網進行采空側矸石幫護巷，塑料網網徑50 mm，規格1.5 m×1.2 m，網片搭接長度不低于0.1 m，兩幫噴射0.2 m 厚的混凝土噴層用于防漏風。

圖4 沿空留巷支護參數與現場單體支護圖

5 巷道圍巖變形監測

采用頂板預裂充填沿空留巷技術進行了現場工業性試驗，用十字測試法監測了留巷過程中巷道圍巖變形情況，圖5（a）和（b）分別給出了巷道頂底板及兩幫變形曲線圖。如圖所示，巷道變形主要發生在滯后工作面10～15 m 范圍內，頂底板變形量在80～110 mm，兩幫變形量在170～210 mm；滯后工作面15～40 m 范圍內，變形速度減小，此時巷道頂底板變形量約為170～215 mm，兩幫變形量約為340～355 mm；滯后工作面40 m 后變形逐漸趨于穩定。現場考察發現巷幫噴層結構未出現開裂現象，進一步表明了頂板預裂充填沿空留巷技術合理性和可靠性。同時從監測結果可以看出，采用頂板預裂充填沿空留巷技術后，其采動影響范圍大大降低。

圖5 巷道頂底板及兩幫變形曲線圖

6 結論

（1）開采煤層上覆層厚較大的軟弱頂板巖層，由于沒有穩定巖層承載，受采動影響，頂板巖層持續劇烈回轉破斷，造成沿空留巷圍巖結構劇烈擾動，頂板巖層易發生整體離層，誘發巷道支護結構失穩。

（2）為解決軟弱頂板巖層沿空留巷技術難題，分析了預裂充填沿空留巷穩定控制機理，提出了厚層軟頂預裂充填沿空留巷技術。該技術可縮短巷道側向頂板懸露長度，減小采空區頂板破斷垮落時間，降低沿空留巷受到的采動影響，從而實現沿空留巷的穩定控制。