9-100 工作面切頂卸壓自動成巷技術(shù)應(yīng)用研究

梁晉源

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)店坪煤礦，山西 呂梁 033199）

1 工程概況

店坪煤礦地處呂梁市方山縣，設(shè)計生產(chǎn)能力200 萬t/a，批準(zhǔn)開采2、3、5、8、9、10#煤層，目前主要回采的9#煤層位于山西組下部。根據(jù)已回采工作面揭露煤層厚度情況，9#煤層厚度為2.8～4.3 m，平均3.1 m，9-100 工作面開采水平830 m，工作面傾斜長度220 m，9-1002 回風(fēng)巷從開口到320 m 煤厚從2.8 m 逐漸變厚為3.3 m，從320 m 到760 m 煤厚從3.3 m 逐漸變薄為2.8 m，從760 m 到885 m 煤層逐漸變厚為3.1 m，之后到切巷煤層穩(wěn)定為3.1 m。根據(jù)9-100 工作面中202 鉆孔及后續(xù)補(bǔ)打頂板鉆孔資料， 9#煤層直接頂為厚度1.7～3.6 m（平均2.8 m）的砂質(zhì)泥巖，基本頂為厚度1.8～2.7 m（平均2.3 m）的中砂巖，直接底為厚度3.1～5.2 m（平均3.3 m）的砂質(zhì)泥巖，基本底為厚度1.8～3.5 m（平均2.8 m）的細(xì)砂巖。

2 原巷道支護(hù)形式

9-1002 回風(fēng)巷掘巷采用傳統(tǒng)錨網(wǎng)索支護(hù)。兩幫采用錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)。錨桿采用直徑16 mm 的圓鋼制作，長度1.6 m，每排三根，間距1.2 m，均沿水平方向施工，排距1.0 m。頂板采用錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)支護(hù)。錨桿采用直徑20 mm 的左旋螺紋鋼制作，長度2.0 m，間距0.94 m，排距1.0 m，每排6 根，頂角錨桿向外側(cè)偏斜15°布置，頂板同排錨桿間用長度4.8 m 的鋼帶聯(lián)結(jié)；錨索由直徑18.9 mm 的鋼絞線制作，長度6.2 m，每排2 根，間距1.8 m，每三排錨桿布置一排錨索，排距3.0 m，垂直頂板安裝。9-1002 回風(fēng)巷支護(hù)形式如圖1。

圖1 巷道原支護(hù)方式（mm）

3 留巷參數(shù)設(shè)計研究

3.1 恒阻大變形錨索設(shè)計

應(yīng)用切頂留巷無煤柱開采技術(shù)時，留巷頂板將呈懸挑狀[1]。為控制頂板回轉(zhuǎn)下沉量，設(shè)計采用恒阻大變形錨索控制頂板的回轉(zhuǎn)下沉。錨索規(guī)格為Ф21.8 mm，長度10.5 m，恒阻值為（33±2） t，預(yù)緊力不小于28 t。恒阻錨索沿巷道頂板法線方向布置，每排布置兩根，排距2.0 m，靠近工作面一側(cè)恒阻錨索距實體煤幫0.5 m，另一根錨索布置在巷道中線位置附近，間距2.0 m。

3.2 切縫參數(shù)設(shè)計研究

（1）切頂高度

預(yù)裂切縫垂直高度[2]：

式中：ΔH1為巷道頂板下沉量，m；ΔH2為底板底鼓量，m；K為上覆巖層碎脹系數(shù)，1.3～1.5。根據(jù)9#煤層上覆巖層巖性，碎脹系數(shù)K取1.4，工作面采高取最大值3.1 m時，設(shè)計切縫深度為7.75 m，結(jié)合地質(zhì)柱狀圖，取切縫豎直深度為8.0 m。

（2）切頂角度模擬研究

利用Udec 軟件對9-1002 回風(fēng)巷切頂角度進(jìn)行研究，模型以9-100 工作面回采為工程背景，模型單元格服從摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則[3-4]。工作面長度100 m，回采距離150 m，9-1002 回風(fēng)巷寬4.8 m，高3.1 m，模型上邊界均布載荷為8.5 MPa，底部為固定邊界條件，側(cè)面為水平位移約束。首先進(jìn)行9-1002 回風(fēng)巷的開挖、支護(hù)，然后進(jìn)行頂板切縫，預(yù)裂切頂線沿回風(fēng)巷靠近回采工作面?zhèn)软斀遣贾茫锌p垂直高度8 m，然后進(jìn)行工作面的回采，推進(jìn)步距2.4 m。研究采用控制變量方法進(jìn)行，將預(yù)裂切頂角度作為變量，參考相似地質(zhì)條件下相關(guān)的研究成果，設(shè)計預(yù)裂切縫向工作面方向偏移角度分別為0°、8°、15°、20°，對比分析不同切縫角度條件下實體煤幫內(nèi)應(yīng)力、巷道圍巖位移情況。整理數(shù)值模擬成果可得到圖2 所示的結(jié)果。

圖2 數(shù)值模擬統(tǒng)計分析結(jié)果

如圖2（a）所示，不同切頂角度條件下，實體煤幫內(nèi)的應(yīng)力值存在明顯差異，垂直應(yīng)力的變化規(guī)律基本相同。當(dāng)切縫向工作面傾斜角度為0°、8°時，煤幫內(nèi)垂直應(yīng)力明顯大于切縫角度為20°時；切縫向工作面傾斜角度為15°時，煤幫內(nèi)垂直應(yīng)力明顯低于同比條件下。由此說明，當(dāng)切頂角度為0°、8°時，采空區(qū)切落的巖層與巷道上部懸挑巖層間存在較大的摩擦阻力，巖層間鉸接作用下，使采空區(qū)頂板整體垮落困難，同樣導(dǎo)致煤幫內(nèi)垂直應(yīng)力較大；切頂角度15°時，很好地減弱了切縫處的鉸接作用，減小了煤幫內(nèi)的應(yīng)力集中程度；切頂角度20°時，同樣減弱了鉸接作用，但是垂直應(yīng)力切縫角度為15°時較大。不同切頂角度條件下，留巷表面位移量如圖2（b）所示。隨著切頂角度的增大，巷道頂板下沉量和煤幫內(nèi)移量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。切頂角度為15°時，巷道表面位移量最小。綜上所述，當(dāng)切縫線向工作面傾斜15°時，能夠有效切斷采空區(qū)頂板與煤柱上覆巖體的連接，切頂效果良好，沿空成巷圍巖較穩(wěn)定，因此切頂角度為15°最優(yōu)。

（3）雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)

頂板預(yù)裂爆破切縫采用特制的聚能管，管長為1.5 m，聚能管外徑42 mm（內(nèi)徑36 mm），乳化炸藥規(guī)格為Φ35 mm×200 mm，炮孔間距500 m，采用間隔爆破的方式。9-1002 回風(fēng)巷恒阻長錨索、炮孔布置、支護(hù)參數(shù)如圖3。

圖3 預(yù)裂爆破鉆孔布置及支護(hù)示意圖

4 巷道臨時支護(hù)設(shè)計方案

為避免9-1002 回風(fēng)巷在工作面回采動壓影響下圍巖失穩(wěn)破壞，設(shè)計對工作面附近的巷道進(jìn)行臨時補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，將工作面附近的巷道劃分為三個區(qū)段：超前加固區(qū)（超前工作面30 m）、滯后臨時加固區(qū)（滯后工作面0～150 m）和穩(wěn)定成巷區(qū)（滯后工作面150 m 以上）。不同的區(qū)段采取不同的加強(qiáng)支護(hù)措施。超前加固區(qū)采用自循環(huán)式門式液壓支架補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，布置間距2.0 m；滯后臨時加固區(qū)沿空巷道受到工作面采動的劇烈影響，是切頂卸壓自動成巷圍巖控制的關(guān)鍵階段，需要高強(qiáng)度的臨時補(bǔ)強(qiáng)措施，設(shè)計采用門式液壓支架、單體支柱+U 型鋼聯(lián)合支護(hù)，單體液壓支柱和U 型鋼交替布置，巷道支護(hù)斷面及側(cè)視圖如圖4 所示；穩(wěn)定成巷區(qū)巷道圍巖已基本穩(wěn)定，主要控制對象為頂板和采空區(qū)側(cè)巷幫破損煤巖體的掉落，故可撤去門式支架和單體柱，在采空區(qū)一側(cè)煤幫噴100 mm 厚的C20 混凝土。

圖4 150506 軌道順槽留巷支護(hù)斷面圖

5 應(yīng)用效果監(jiān)測

為掌握9-1002 回風(fēng)巷切頂卸壓自動成巷圍巖動態(tài)及其規(guī)律性，檢驗支護(hù)結(jié)構(gòu)、設(shè)計參數(shù)及施工工藝的合理性，現(xiàn)場工業(yè)試驗期間監(jiān)測巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔兓?guī)律，通過巷道表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)判定巷道圍巖的運動情況，分析圍巖是否進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，整理得到巷道表面位移量隨著與工作面距離的變化規(guī)律如圖5。工作面未回采至測點位置時，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平砍掷m(xù)增大，直至測點與工作面平齊，頂?shù)装逡平繛?89 mm，兩幫移近量432 mm；工作面推過測點位置后，該位置巷道已采取上述的預(yù)裂切頂、恒阻長錨索、臨時加固等措施；滯后工作面0～80 m 范圍內(nèi)時，表面位移平穩(wěn)增大，頂?shù)装逡平可?35 mm（增大46 mm），兩幫移近量升至530 mm（增大98 mm）；滯后工作面80 m 以上時，巷道表面位移量不再增大，圍巖基本穩(wěn)定。綜上可得，該設(shè)計的切頂卸壓自動成巷技術(shù)在9-100 工作面取得了良好的應(yīng)用效果。

圖5 巷道變形情況監(jiān)測結(jié)果

6 結(jié)論

通過理論分析確定最佳切頂高度為8.0 m，通過數(shù)值模擬研究確定最佳切頂角度為15°，設(shè)計恒阻長錨索加固方案，并確定臨時加強(qiáng)支護(hù)方案。表面位移監(jiān)測頂?shù)装逡平績H增大46 mm，兩幫移近量增大98 mm，最終頂?shù)装逡平?35 mm，兩幫移近量530 mm，留巷斷面變形較小，圍巖整體穩(wěn)定性較好，研究確定的切頂參數(shù)及設(shè)計的支護(hù)方案較合理，切頂卸壓自動成巷技術(shù)在9-100 工作面取得了良好的應(yīng)用效果。