榆樹坡煤業沿空留巷圍巖控制技術研究

王 棟

（山西寧武榆樹坡煤業有限公司，山西 忻州 036799）

隨著榆樹坡煤業煤炭資源存量不斷降低，為了提升煤炭資源回收率，榆樹坡煤業采用了沿空留巷無煤柱開采技術。隨著回采作業，對回采巷道采空側的邊緣部分進行巷旁填充留巷。現有的沿空留巷施工工藝不僅工藝繁瑣而且效率低下、施工成本較高，影響綜采作業安全生產。

經過長期的探索，榆樹坡煤業提出了一種新的沿空留巷圍巖結構控制技術，通過對沿空留巷的結構控制和受力優化，大幅提升了沿空留巷圍巖的穩定性。目前該技術方案已在榆樹坡煤業多個巷道得到應用，表現出了極高的穩定性。

1 沿空留巷圍巖結構控制技術

基于傳統沿空留巷控制技術的缺陷，結合“切頂短臂梁”穩定支護控制理論，優化后的沿空留巷控制技術的作業流程如圖1所示[1]。

圖1 沿空留巷圍巖支護流程

優化后的沿空留巷控制技術，是在巷道的內側和采空區域內利用恒阻力的大變形錨索為主體進行支護作業。當完成初步支護后，需要在巷道內的超前工作面上設置一組用于聚能爆破的孔位，如圖1（b）所示，孔位設置完成后進行爆破作業，使巷道內側的頂板處產生一個如圖1（c）所示的裂縫。回采作業時，沿著預爆破的裂縫處設置一組單體支柱，作為巷旁擋護煤矸石的支護體。當后續采空區域內的頂板沿著預爆破縫隙逐漸垮落而形成圖1中所示的巷幫并被充分壓實后，再逐步將設置的單體支柱撤去。最后將壓實后的巷幫進行噴漿固化處理，形成一個完全隔絕的區域，將采空區完全地隔離開來，形成的巷道可以成為臨近的綜采面的回采巷道，從而實現無煤柱開采和安全支護。

2 沿空留巷圍巖控制關鍵技術

（1）聚能預爆破。聚能預爆破主要是指通過聚能裝置在特定方向上的定向爆破，使頂板巖層能夠沿著預定的方向形成預裂面。該技術方案的優點在于定向爆破能最大限度地降低非定向方向上的沖擊，避免巖層損傷。在井下超前工作面實施聚能爆破后，能夠使頂板巖層沿著預定的區域產生垮落，降低巖板的側向懸臂的長度，能最大限度地優化留巷內圍巖的受力。聚能爆破原理如圖2所示[2]。

圖2 聚能爆破原理

（2）恒阻力大變形錨索支護技術。為了提升對沿空留巷圍巖結構控制的有效性，采用恒阻力大變形錨索支護。該支護錨索具有高強度、高預緊力、高恒阻的結構特性，不僅能夠有效地適應井下圍巖的變形，而且能夠有效地限制巷道頂板受力情況下的搓動，極大地提升其頂板巖層的抗壓沖擊能力。

該錨索結構的模型如圖3所示。

圖3 恒阻大變形錨索結構示意圖

假設錨索在井下固定時，其固定區域內共有m層巖層，煤層巖層的厚度均為h，則其所受的抗彎彎矩可表示為[3]：

當所有的巖層都被恒阻大變形錨索固定在一起時，其總的抗彎彎矩M'可表示為：

由此可知，當采用恒阻大變形錨索固定后，其頂板的抗彎彎矩提升了m倍，因此極大地降低了發生垮落的危險性，有效降低了巷旁的支護阻力。同時，在此基礎上，再輔以錨桿支護補強，形成一套完整的承載體結構，分散垮落對支護體的沖擊作用，并提升支護結構對圍巖變形的適應的能力，提升巖體的自承受能力，大幅提升沿空留巷圍巖變形控制能力，確保留巷的穩定性。

3 沿空留巷圍巖支護結構優化

巷道在開采過程中，頂板會有3個活動期[4]，其中導致頂板變化最劇烈的為過渡活動期，在此時采空區的頂板最容易產生塌方。由于井下巷道內不同區域的巷道頂板的結構狀態均不一致，而其支護方式的不同也會影響到頂板的斷裂位置，直接影響著巷道礦壓顯現規律和圍巖結構的穩定性。通常情況下，沿空留巷的斷裂位置包括了巷道上層、采空區的側邊，因此在進行圍巖結構控制優化時，需在工作面后側約100m的位置采用單體支柱進行支護。各單體支柱之間的距離約為600mm，在單體支柱切頂線的位置設置一組工字鋼作為抵擋煤矸石沖擊的永久結構體。其圍巖支護結構如圖4所示。

圖4 優化后的沿空留巷圍巖控制支護結構示意圖

4 工程應用情況

榆樹坡煤業2號煤一采區1201綜采工作面在采用該圍巖結構控制技術后，在巷道采后約100m范圍內，采空側的頂板按爆破產生的預裂面迅速垮落并維持穩定。在沿空留巷內，巷道的寬度能穩定維持在5.3m左右，其斷面收縮率能夠維持在7%以內，留巷四周的圍巖結構穩定。采用了該技術后，該綜采面煤炭的回收率提升了約5.7%，在試驗區域內的生產量增加了約3.4萬t，總利潤增加了約600萬元。應用后的沿空留巷效果如圖5所示。

圖5 優化后的成形效果

5 結論

針對常規的沿空留巷圍巖結構控制方案存在的問題，根據榆樹坡煤業2號煤一采區1201綜采工作面的實際情況，提出了利用聚能預爆破和恒阻力大變形錨索支護技術沿空留巷圍巖控制方案。應用情況表明其支護穩定性高，可靠性好，目前已得到推廣應用，極大地提升了井下圍巖結構控制效果。