長榆河煤礦103 工作面切頂卸壓沿空留巷設計

黃 林

（山西壽陽潞陽長榆河煤業有限公司，山西 晉中 030000）

0 引 言

長榆河礦設計生產能力為90 萬t/a，批準開采6-15 號下煤層，目前15 號煤層基本已回采結束，計劃開采15 號下煤層。礦井歷年鑒定為低瓦斯礦井。15下煤層，煤層厚度0.67～4.5 m，平均煤厚2.39 m；煤層傾角2°～14°平均7°。15下103 工作面位于15下煤層東采區北部，上部為15105 采空區，北鄰15下102 工作面，南面為15下105 回風順槽，西臨東翼軌道大巷（15 號）、東翼膠帶大巷（15 號下），東臨井田邊界。工作面地面標高+1 305 m～+1 395 m，平均1 350 m，井下標高+1 050 m～+1 100 m，平均1 075 m。為有效解決長榆河煤礦在礦井采掘過程中所面臨的現實問題，在15下103 工作面進行沿空留巷工業性試驗。

1 切頂卸壓沿空留巷簡介

1.1 切頂卸壓沿空留巷的原理

在要切頂的巷道，采用深孔爆破技術將靠近采空區一側的頂板進行切斷，從而使巖層在巷道頂板上形成短臂梁結構。為了保證切頂巷道的穩定性，還要對切頂后的巷道進行補強支護[1-2]，如圖1（a）所示。由于巷道靠近采空區，還要采用合適的方式進行擋矸。在擋矸完成后，在切頂一側的巷幫會形成新的幫，通過臨時支護就可以使巷道免受二次動壓的影響，如圖1（b）所示。待巖層穩定后，可以撤回使用的臨時支護設施，例如單體液壓支柱等。

圖1 切頂卸壓沿空留巷技術原理

在沿空留巷過程中，應該根據巷道所處的圍巖應力狀態采用合適的支護方式。根據巷道與工作面的距離，可以將巷道支護區分為超前支護區、滯后臨時支護區以及成巷穩定區[3]。在超前支護區內，補強支護應該超前工作面80 m 左右。在滯后臨時支護區內進行巷幫擋矸防護和滯后臨時支護。根據以往工程經驗暫定工作面至后方200 m 范圍為滯后臨時支護區。

暫定工作面后方200 m 范圍以外為成巷穩定區，當留巷渡過了周期來壓的影響，并且巷道圍巖穩定后，拆除頂板支護措施，完成留巷。注意：上述3 個區域的劃分應根據現場監測結果，分析后確定留巷分區實際長度。

1.2 沿空留巷工藝流程

基于上述切頂卸壓沿空留巷技術原理，提出以“切、補、護、支”為核心的底分層工作面沿空留巷工藝流程[4]，見表1。

表1 底分層工作面沿空留巷核心工藝流程

2 15 下103 回風順槽切頂卸壓沿空留巷方案

2.1 超前預裂切縫

根據切頂卸壓沿空留巷技術原理，目標切頂高度為垮落帶內關鍵層。當近距離煤層上煤層回采后，目標切頂高度主要為層間巖層內堅硬巖層；當上煤層未回采時，目標切頂高度為垮落帶內關鍵層。由于15 號煤層已回采，15下煤層與15 號煤層層間有小于2.5 m、大于2.5 m 小于8 m、大于8 m 3 種情況，為防止切頂后巷道與上覆15 號煤層采空區溝通，實際切頂高度=層間距厚度－1.5 m。結合以往工程實踐經驗，層間距小于8 m 時采用采用密集鉆孔或水力切割進行切頂卸壓；層間距大于8 m 時采用定向預裂爆破的方式進行切頂卸壓。

2.1.1 定向預裂爆破卸壓

超前預裂切縫包含打鉆和爆破，施工范圍為15下103 回風順槽切眼至停采線外15 m。為減小爆破對頂板的影響，同時保證留巷斷面，開孔位置應盡量靠近回采幫，并結合鉆機實際情況確定開孔位置。建議開孔位置距回采幫不大于300 mm，即S=300 mm，要求所有鉆孔成排成線。

在巷道斷面圖中，鉆孔向回采幫傾斜5°，即鉆孔傾角α=85°；在巷道剖面圖中，鉆孔沿豎直方向布置，即鉆孔傾角β=90°。鉆孔直徑d= 48～50 mm，鉆孔間距L=500 mm。據后期巷道頂板巖性探測確定具體層間距大小后，再確定鉆孔深度。

2.1.2 密集鉆孔卸壓

密集鉆孔切頂與定向預裂爆破卸壓的區別是采用施工密集鉆孔的形式卸壓，而不采用炸藥爆破，即在巷道靠近回采側施工間距較小的鉆孔，待工作面采過后，巷道上方頂板及時垮落。為減小爆破對頂板的影響，同時保證留巷斷面，開孔位置應盡量靠近回采幫，并結合鉆機實際情況確定開孔位置。建議開孔位置距回采幫不大于300 mm，即S = 300 mm，要求所有鉆孔成排成線。

在巷道斷面圖中，鉆孔向回采幫傾斜5°，即鉆孔傾角α=85°；巷道剖面圖中，鉆孔沿豎直方向布置，即鉆孔傾角β=90°。鉆孔直徑d=48～50 mm，鉆孔間距L=200 mm。根據后期巷道頂板巖性探測確定具體層間距大小后，再確定鉆孔深度。

2.1.3 水力切割卸壓

鉆孔間距初步確定1 000 mm（后期可根據現場試驗確定），其余鉆孔參數與密集鉆孔參數相同。

2.2 切頂方式對比

15下103 回風順槽長度約780 m，根據對密集鉆孔切頂、聚能爆破切頂以及水力切割切頂3 種方式的分析，3 種切頂方式對比如下：

1）施工切頂孔工程量對比：密集鉆孔間距 300 mm，施工鉆孔數量約2 600 個；聚能爆破孔間距500 mm，施工鉆孔數量約1 560 個；水力切割孔間距1 000 mm，施工鉆孔數量約780 個。

2）工藝復雜程度及安全角度對比，密集鉆孔工藝較簡單且安全，鉆孔施工結束后即完成切頂卸壓；而聚能爆破工藝較為復雜，對于高瓦斯、突出礦井而言存在一定安全風險，要求多名工人配合程度高；水力切割切頂工藝復雜，但安全性高。

結合長榆河煤礦現有地質條件，考慮到水力切割切頂成本較高（據以往工程經驗，每米約300 元）及要求井下水壓較大等，暫不考慮這種方式切頂。因此，針對層間距小于8 m 時采用密集鉆孔的方式進行切頂，層間距大于8 m 時采用聚能爆破方式進行切頂。

2.3 巷旁擋矸防護

工作面后方沿空留巷巷幫擋矸防護采用“雙層金屬網+風筒布+可伸縮U 型鋼+鋼筋拉桿”方式進行擋矸，具體方案如下。

雙側金屬網沿爆破鉆孔連線布置：內層（靠近采空區一側）選用φ8 mm 冷拔絲鐵絲網，考慮回采幫高度3 100 mm，U 型鋼截面高200 mm、鐵絲網與頂板網的搭接200 mm，因此鐵絲網總寬度為3 100 +200+200=3 500 mm，也可采用多部分相互搭接，搭接部分不低于200 mm。鐵絲網頂部外漏400 mm，其中200 mm 被U 型鋼壓覆，200 mm 與頂板網搭接。外層（靠巷道一側）選用鋼筋網，回采幫高度3 100 mm，鋼筋網總寬度為3 100 mm，也可采用多部分相互搭接，搭接部分不低于200 mm。鋼筋網頂板接頂，接底。

選擇寬3 300 mm 的礦用風筒布，每卷長15 m，夾在2 層金屬網之間，相互搭接用于留巷段防漏風，靠近頂板部分外漏200 mm，用U 型鋼壓覆。15下103 回風順槽高3 100 mm，考慮200 mm 的底板柱窩，擋矸高度約為3 300 mm；擋矸柱采用2 根29U型鋼通過卡纜搭接組成，搭接長度不低于500 mm，因此每根29U 型鋼長度為（3 300 + 500）/2 = 1 900 mm，可伸縮U 型鋼（擋矸柱）間距600 mm。巷道擋矸平面如圖2 所示。

圖2 巷旁擋矸防護平面圖

“架棚+錨網”支護區域擋矸施工工藝：拆除工作面前方回采幫棚腿→過渡支架拉架→施工底板柱窩→搭接鐵絲網→搭接風筒布→搭接鋼筋網→安裝工鋼棚棚腿→鐵絲網和頂板網搭接→過渡支架拉架→施工底板柱窩→搭接鐵絲網→搭接風筒布→搭接鋼筋網→U 型鋼相互連接組成擋矸柱并初步上緊卡纜防止U 型鋼滑動→架設擋矸柱→使用單體柱或千斤頂給擋矸柱施加預緊力→使用大錘錘下部U 型鋼確保擋矸柱接頂接底→擰緊卡纜螺母（150 N·m）→拆除單體柱或千斤頂→鐵絲網和頂板網搭接→拆除工作面前方回采幫棚腿→進入下一循環。

“錨網”支護區域擋矸施工工藝：過渡支架拉架→施工底板柱窩→搭接鐵絲網→搭接風筒布→搭接鋼筋網→29U 型鋼相互連接組成擋矸柱并初步上緊卡纜防止U 型鋼滑動→架設擋矸柱→使用單體柱或千斤頂給擋矸柱施加預緊力→使用大錘錘下部U 型鋼確保擋矸柱接頂接底→擰緊卡纜螺母(150 N·m)→拆除單體柱或千斤頂→鐵絲網和頂板網搭接→過渡支架拉架→進入下一循環。

2.4 滯后臨時支護

滯后臨時支護區內留巷受礦壓顯現的影響會出現圍巖應力增高、巷道變形等情況，通常位于工作面后方200～300 m 范圍內，具體可根據現場觀測結果確定。在尚無觀測數據的前提下，暫定工作面后方200 m 范圍為滯后臨時支護區。

在工作面后方200 m 臨時支護區范圍內，采用“單體液壓支柱+π 型梁”組成單體柱抬棚的滯后臨時支護方案。滯后臨時支護頂梁選用4 mπ 型梁，沿巷道中線方向布置，“一梁四柱”，總共布置4 排，單體柱排距800 mm/1 000 mm，間距1 000 mm，靠近采空區幫的單體柱棚距采空區幫500 mm，可采用鉸接梁或工鋼梁代替π 型梁，但應保證單體柱密度不低于4 根/m。滯后臨時支護方案設計如圖3 所示。

圖3 滯后臨時支護斷面圖

施工要求：①單體柱必須穿鞋帶帽，初撐力不低于90 kN（11.4 MPa）；②打設叉子棚時要拉線打設，保證每一排柱成一條直線，偏差不得超過100 mm；③應保證800 mm 以上的人行通道；④留巷巷道位于工作面后方150 m 以外，且礦壓監測結果顯示巷道表面位移趨于穩定時可回撤滯后臨時支護（切頂排柱不回撤）。具體指標為：巷道表面位移周變形量小于10 mm 時，可視為巷道圍變形穩定。頂板破碎區域及斷層前后10 m 范圍內，不回撤單體柱抬棚。

3 結束語

結合了長榆河煤礦15下103 工作面的實際情況，對工作面的切頂卸壓沿空留巷施工方案進行了設計。針對層間距小于8 m 時采用密集鉆孔的方式進行切頂，層間距大于8 m 時采用聚能爆破方式進行切頂。工作面后方沿空留巷巷幫擋矸防護采用“雙層金屬網+風筒布+可伸縮U 型鋼+鋼筋拉桿”方式進行擋矸。在工作面后方200 m 臨時支護區范圍內，采用“單體液壓支柱+π 型梁”組成單體柱抬棚的滯后臨時支護方案。