工作面切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術

秦紅強

(霍州煤電集團 洪洞億隆煤業有限責任公司，山西 臨汾 041600)

我國煤炭資源以往的開采絕大部分均采用留設煤柱的方式來對工作面周邊巷道進行保護，在這種開采方式下，周邊巷道受采動影響較小，圍巖穩定性較高，工作人員的人身安全能夠得到有效保障[1-2]，但是卻存在著煤炭資源浪費嚴重、煤柱應力集中、采空區易發火等一系列問題，同時對下層煤回采巷道的布置同樣提出了較高要求[3]。隨著煤礦開采技術的不斷發展，工作面沿空留巷被廣泛采用，同時切頂卸壓的提出更是對無煤柱沿空留巷技術的進一步創新，礦井在生產過程中的施工量大幅減少，資源得到了有效回收[4]。

某礦為了保證礦井采掘銜接，減少巷道掘進工程量，決定對1-101工作面的軌道巷實施沿空留巷，使該留巷繼續服務于下一工作面的回采活動。本文基于1-101軌道巷的地質條件，對沿空留巷技術進行探討。

1 工程概況

1-101回采工作面地表無河流、湖泊等水體，雨季地表徑流條件好，蓋山厚度365～368 m，煤層埋藏較深，地表水正常情況下無法滲透到井下。該工作面所回采的煤層為1號煤層，工作面沿走向推進，沿傾向布置，其中走向長度1 500 m，傾向長度120 m。所采煤層的平均厚度為2.8 m，采用傾斜長壁綜合機械化一次采全高采煤工藝。

1-101工作面軌道巷為矩形巷道，巷道凈寬4.5 m，凈高2.8 m,采用錨網索聯合支護的方式對其進行支護，頂板采用D22 mm×L2 400 mm的左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距為860 mm×1 000 mm；錨索采用D21.6 mm×L7 300 mm的鋼絞線，間排距為1 700 mm×1 000 mm。幫錨桿采用D22 mm×L2 200 mm的左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm。

2 煤層頂底板性質

詳細掌握巷道的地質條件，明確巷道頂底板各巖層的賦存狀況以及物理力學屬性，對于選取合理的技術措施來對1-101軌道巷進行沿空留巷具有重要意義。因此，在1-101軌道巷頂底板選取合適的位置進行打鉆取芯，并將所取巖芯密封后帶回實驗室對其物理力學參數進行了測試，測試結果如表1所示。

表1 工作面頂底板圍巖賦存情況及力學參數

從表1中可以看出，1號煤的偽頂為泥巖，直接頂為中粒砂巖，該巖層為灰黑色，呈薄層狀，并夾有兩層0.2 m和0.1 m的煤線，老頂則為灰白色的粉砂巖，該巖層較為堅硬，以石英為主，呈厚層狀。直接底則為灰黑色的砂質泥巖，夾植物化石碎片，半堅硬。由各巖層的物理力學參數測試結果可知，1號煤層直接頂、直接底以及老頂的強度整體較高，而1號煤層的強度偏低。

另據礦井地質資料知，1-101工作面回采過程中共揭露21條小斷層，其中對1-101軌道巷圍巖穩定性產生較大影響的斷層共有9條，其分布狀況如表2所示。

表2 對巷道圍巖穩定性影響較大的斷層分布狀況

斷層的存在必然會對原巖應力的分布產生影響，為了掌握工作面以及巷道頂板圍巖受斷層影響的應力分布情況，在F10斷層附近選取合適的位置布置了三個地應力測站，使用水壓致裂法對其地應力分布進行了測試，測試結果顯示三個測站的最大主應力均為水平應力，分別達到了13.7 MPa、14.6 MPa和14.82 MPa，所對應的側壓系數分別為1.32、1.47和1.51。

3 沿空留巷方案

上述測試結果顯示，1-101軌道巷頂板巖層整體較為堅硬，同時在斷層影響下工作面頂板上覆巖層受水平應力影響較大，特別是采空區頂板發生回轉垮落時，必然會對1-101巷道圍巖穩定性造成影響，進而使得該巷頂板應力分布更為復雜。所以在對1-101巷道進行保留時，應及時切斷工作面以及采空區上覆巖層的應力向巷道頂板傳遞的過程，從而使得巷道圍巖所處的應力環境相對簡單。因此，決定采用切頂卸壓沿空留巷對1-101軌道巷進行保留。

由于1-101軌道巷頂板巖層較為堅硬，若對該巷道靠近采空區一側的頂板切落，使切落的頂板成為巷道的一幫，則該巷幫能夠對頂板進行有效的支撐。

3.1 切頂卸壓技術特點

該技術措施具有如下特點：

1) 切頂卸壓沿空留巷通過定向爆破技術對巷道頂板上覆巖層進行定向切割，進而使得采空區上覆頂板與巷道頂板有效分離，較好地阻止了工作面以及采空區頂板的應力向巷道上方傳遞，巷道所處的應力環境得到有效改善。

2) 可以有效減少采掘比，提高經濟效益。

3) 井下回采的安全性得到大幅提高。

4) 采空區頂板的垮落通過前期的欲裂爆破而顯得規則化，有利于巷道的管理。

3.2 切頂卸壓技術措施

3.2.1 恒阻錨索加強支護

采用恒阻大變形錨索對1-101軌道巷進行補強支護可以有效保證該巷在欲裂爆破和工作面周期來壓時的穩定性，同時減小由斷層引起的水平應力對巷道頂板的影響。恒阻大變形錨索共布置3列，具體的布置措施如下：巷道頂板垂直布置三列恒阻錨索，第一列恒阻錨索與原支護方案中的第一排錨索位于同一排，距巷幫右幫400 mm布置一根；第二列恒阻錨索與原支護方案中的第一排錨索間隔一排布置，距巷道右幫1 400 mm布置一根；第三列恒阻錨索與原支護方案中的第一排錨索間隔兩排，距巷道斷面左側巷幫1 400 mm布置一根，所用恒阻錨索的型號為D21.8 mm×L8 300 mm，恒阻器長300 mm，外徑72 mm，恒阻值約為330 kN，預緊力不小于280 kN。

3.2.2 切縫參數設計

由于巖石具有碎脹性質，通過對位于采空區一側的巷道頂板進行切縫爆破，使切落后的巖層碎脹接頂，從而對頂板起到一定的支撐作用，有效改善沿空留巷的應力環境。借鑒相關礦井的施工經驗，結合本礦實際，將切縫高度設置為5.8 m，切縫角度與垂直方向的夾角為15°，切縫線緊貼巷道右側，爆破鉆孔間距取為500 mm。巷道布置斷面示意如圖1所示。

圖1 巷道布置斷面示意(mm)

3.2.3 爆破技術

對鉆孔進行欲裂爆破時，每個爆破孔間距為500 mm，孔徑為50 mm，每個孔內均安裝3根長度為1 500 mm、外徑為44 mm、內徑為37 mm的聚能管，聚能管內部又裝有直徑為35 mm、長度為200 mm的乳化炸藥，雷管埋設在炸藥內并接有引線，采用正向爆破技術。

3.2.4 擋矸支護

采用切縫爆破后采空區靠近1-101軌道巷一側的頂板會被切落，切落的頂板不可避免地會對巷道頂板進行擠壓、摩擦，因此當工作面推過后，需要對工作面后方0～100 m范圍內的巷道布置單體液壓支柱進行加強支護，同時在靠近采空區一側的兩架單體液壓支柱之間鋪設鋼筋網并布置一根工字鋼，防止采空區內的矸石涌入巷道內部。單體液壓支柱的布置方式具體為在切縫線旁邊共布置3根液壓支柱，且3根液壓支柱均位于同一排，距切縫線分別為200 mm、900 mm和1 900 mm。排距均為800 mm，滯后臨時支護如圖2所示。

圖2 滯后臨時支護示意(mm)

位于采空區后方超過100 m的巷道待圍巖穩定后可將單體液壓支柱撤掉，并對巷道表面進行噴漿工藝。

4 留巷效果

使用切頂卸壓沿空留巷無煤柱技術對1-101軌道巷進行保留后，選取合適位置布置測站對其圍巖變形進行了為期1個月的現場監測，監測結果顯示巷道頂板下沉量為450 mm，兩幫移近量為500 m，巷道斷面整體較為工整，圍巖穩定性較高，可滿足下一工作面的回采要求。