Z型工作面切頂留巷支護技術研究

張俊滿，張孝榮，呼少平，崔 浩

(陜西澄合百良旭升有限責任公司，陜西 渭南 715200)

0 引言

近年來，綜放工作面大斷面開切眼一次掘進[1]、無煤柱開采、沿空留巷和礦壓控制技術日漸成熟[2]，尤其是切頂卸壓無煤柱開采的推廣應用，使我國煤炭安全高效開采有了新的突破。在沿空留巷工藝上的“Y”型工作面也逐漸向“Z”型工作面演化，兩種布置形式適應性略有差別，Z型開采優越性更強，不留煤柱，取消了孤島工作面，不僅可以合理開發煤炭資源，避免浪費煤柱，提高煤炭回收率，增加礦井的可開采年限；還由于少掘進一條巷道，緩解了生產接續矛盾，減少了工作面設備的搬運和安裝時間。董東煤礦由于巷道和礦壓顯現較大，開采過程中兩順槽變形嚴重，回采成本高，效率低，嚴重影響企業效益，為了徹底解決高礦壓順槽巷道支護難題，從開采方法與支護兩方面進行研究分析，決定在董東煤礦50107工作面采用Z型切頂沿空留巷工藝。

1 工程概況

董東煤礦50107工作面總體位于向斜構造區，工作面北高南低，西高東低，主采5號煤層，回采煤層傾向變化較大，傾角在3°～6°，煤層底板標高+210～+380 m，厚2.6～5.0 m，平均厚3.4 m，屬較穩定煤層。煤層基本頂為粉砂巖，厚7.78 m；直接頂為泥巖、粉砂巖、夾細砂巖條帶，厚0.5～2.9 m；直接底為石英砂巖，厚1.44 m。

2 Z型開采方式及留巷端頭支護工藝

工作面巷道采用“Z”型布置開采，其中一條巷道隨著工作面向前推進，始終保持前進式沿空留巷，工作面風巷采用前進式沿空留巷，在采空區側留巷形成，沿空留下的巷道可作為開采下一個工作面的順槽，一巷兩用，節省掘進巷道的費用，避免采掘失調、接續緊張，省去工作面的煤柱，提高了資源回收率。工作面巷道“Z”型布置開采技術需采取前進式沿空留巷，一般適用于低瓦斯礦井，地質構造簡單，煤層不易自燃，煤層厚度不大的采煤工作面[5]。

2.1 工作面布置

針對董東煤礦現場條件，考慮到工作面壓力顯現情況、留巷時間與工作回采時間之間的關系，以及通風、行人等要求，以此為依據來設計選擇工作面的合理長度和推進長度，適當減小巷道有效斷面，有利于巷道維護和減少材料消耗，達到優化工作面設計的目的，從而實現效益最大化。50107工作面Z型開采切頂留巷布置如圖1所示。

圖1 Z型開采留巷布置圖

2.2 留巷端頭支護

回采前采用爆破技術，對巷道正幫側頂板采取定向預裂，縮短順槽側采空區頂板懸臂梁長度，待工作面推過后，在礦壓作用下頂板將沿預裂切縫自動切落形成巷幫，既隔離了采空區又保持了巷道的完整性，可作為下一個工作面的順槽二次使用。留巷端頭支護如圖2所示。

Z型開采切頂留巷技術端頭施工主要工藝流程為：煤機截割生成巷道→超前臨時支護→錨網索支護、施工切頂眼→沿設計切頂線爆破預裂切縫→留巷段加強支護及擋矸→噴漿封閉巷幫。

圖2 留巷端頭支護圖

3 Z型開采留巷支護參數

3.1 巷內支護

巷內支護強度維持順槽留下部分的完整性是沿空留巷成功的基礎，能夠使得回采過后一幫的順槽頂板處于懸臂狀態，因此，必須采用錨桿支護，頂板鋼帶具有一定的剛度增強頂部完整性。

頂板錨索采用四四布置，其中3根φ21.8 mm×10 400 mm與2 600 mmT型鋼帶聯合支護，間排距為1 200 mm×1 200 mm，沿空巷旁安設1根φ21.8 mm×10 400 mm巷旁加強錨索，排距為600 mm；錨桿為φ20 mm×3 000 mm無縱肋左旋螺紋鋼，間排距為700 mm×600 mm，Z2360樹脂藥卷，每孔3卷樹脂藥。巷內頂板支護如圖3所示。

圖3 留巷內頂板支護圖

非采煤側幫部錨桿為φ20 mm×3 000 mm右旋等強螺紋鋼，間排距為700 mm×600 mm，Z2360樹脂藥卷，每孔3卷樹脂藥。巷內非采煤側幫支護如圖4所示。

圖4 留巷非采煤側幫支護圖

3.2 巷外切頂

切頂的作用：在采面過后，靠近采空側的煤壁首先要經受比垂直地壓大得多的礦壓顯現[6]。而后，經過一個時間和空間的變化，采空區側煤體內的礦壓變化穩定后表現為沿煤體邊緣向內的突然上升后逐漸衰減的一個曲線。巷外切頂能夠改變大結構圍巖力學平衡機理而及時釋放巷旁支撐體荷載，有利于留巷處于長期穩定狀態。

巷外切頂工藝：50107工作面Z型開采留巷切頂施工工藝如下，①打眼—切頂眼位置距巷旁加強錨索450 mm處，眼深7 000 mm，設計切頂線豎面向采空區傾斜20°，孔徑45 mm，間距500 mm；②裝藥—采用U型φ32mmPVC管，在其底部布置3節藥卷，相距3 m處再打孔布置2節藥卷，用膠帶固定炸藥及管線，然后將管送入至切頂眼內，孔口封堵1 m長度封泥；③爆破—經檢驗合格后方可進行爆破切縫，采用不耦合裝藥，串聯連線正向爆破，每次爆破數量6～10個。

3.3 巷旁擋矸

隨著工作面回采，采場矸石勢能轉化為沖擊動能，碎石幫橫向沖擊力和擠壓力均會增大，擋矸結構應有足夠的抗橫向變形能力[7]，因此巷旁擋矸支護是切頂留巷成功的關鍵因素之一。目前，采用預支撐袋鑄混凝土[8]以及鋼管混凝土柱巷旁支護[9]等較大強度尺寸的支護。但在董東煤礦實驗段留巷采空巷旁支護設計采用曲線擋矸柱。

采空側巷旁支護體系采用曲線擋矸柱+密集單體液壓支柱+鐵絲網(鋼筋網)聯合支護。①曲線擋矸柱+液壓單體聯合支護—采用曲線擋矸柱，由固定段3 000 mm和滑動段800 mm兩部分組成，間距600 mm，搭接部位采用U型卡纜連接固定，具備讓壓滑動性且滑動量程不小于400 mm；②密集液壓單體柱加密支護—在相鄰曲線擋矸柱間加密布置單體，間距600 mm；③鐵絲網鋪設—巷內和巷外頂網相連，搭接不少于400 mm，側幫下半段加設網片采用2 600 mm×900 mm雙層鐵絲網，搭接不少于100 mm，14#鐵絲逢孔必聯。

巷內支護可以避免巷道頂部圍巖微觀離層向宏觀離層發展，使得穩定拱線末端向采空區方向彎曲而達到提升留巷頂板穩定性的目的；巷旁支護結構的及時支撐可以防止巷道頂部圍巖宏觀離層向破壞失穩發展，使得形成新的自穩隱形拱而達到留巷長期穩定；巷外切頂能夠改變圍巖力學平衡機理而及時釋放巷旁支撐體荷載，有利于留巷處于長期穩定狀態。

4 試驗效果

4.1 巷道表面位移

對50107工作面Z型開采切頂留巷試驗段，采用十字布點法進行表面位移監測，選擇了具有代表性的巷道斷面進行監測數據分析，選取的表面位移情況如圖5和圖6所示。

圖5 巷道頂底板收斂圖

圖6 巷道兩幫收斂圖

經監測數據分析，靠近采空區處頂板下沉量15 cm大于中部頂板處7 cm；煤壁側幫的移近量大于沿空側幫；巷道底臌問題仍然突出，但經過起底后能滿足工程應用。

4.2 現場效果

采空區頂板大部分沿切頂縫以不同程度大小的塊體切落成巷，并且在回采后15 m范圍內塌落矸石基本實現接頂。在工作面推進24～30 m范圍，巷道頂板開始旋轉，采空側頂板下沉。巷外切頂、巷旁擋矸以及巷內支護效果如圖7所示。

圖7 現場效果圖

5 結論

(1)Z型開采工作面端頭架后截割留巷，支承壓力處于開采后動壓的下降階段，避免留巷前巷道圍巖的松弛塑性變形，減少了巷道掘進工程量和維修工程量，提高了經濟效益。

(2)留巷三要素的內在關系為巷內支護是成功的本質，巷外支護是成功的內因，巷外切頂是成功的外因。

(3)實驗段采空區頂板大部分沿切頂縫以不同程度大小的塊體切落成巷，并且在回采后15 m范圍內塌落矸石基本實現接頂；靠近采空區處頂板下沉量15 cm大于中部頂板處7 cm；煤壁側幫的移近量大于沿空側幫。