榆樹坡煤業大采高工作面沿空留墻技術應用研究

白斌斌

(山西寧武榆樹坡煤業有限公司，山西 寧武 036799)

1 工程概況

陽煤集團榆樹坡煤業1201 綜采工作面位于2#煤一采區，埋藏深度為+306～ +390m，煤層厚度4.30～5.42m，平均厚度4.7m，工作面傾斜長度200m，走向長1276m。1201 工作面位于1203 工作面西北部，西南部為2#煤一采區軌道巷，北部與北辛窯煤礦相鄰，四鄰無采空區存在。1201 工作面位置詳情如圖1 所示。1201 綜采工作面采用走向長壁綜合機械化采煤法，一次采全高，平均采高4.7m，循環進度0.8m。1201工作面為“一進一回”兩巷布置，兩巷均為煤巷，1201 進風順槽擔負工作面運輸煤炭和進風的任務，1201 回風順槽擔負工作面進料和回風任務。工作面頂底板巖性特征如表1 所示。為提高榆樹坡煤業2#煤層的采出率，設計工作面采用無煤柱開采技術。

表1 頂底板巖性特征表

圖1 采掘布置平面圖

2 沿空留墻方案設計

沿空留墻技術是指工作面回采之前，在臨近下個工作面的回采巷道內，對巷幫進行提前擴刷，澆筑混凝土墻，待本工作面回采完畢后，緊貼著混凝土墻進行下個工作面回采巷道的掘進。

2.1 1201 進風順槽（1203 回風順槽）支護方案

1201 進風順槽沿2#煤層底板布置，采用矩形斷面，掘進期間永久支護方式為錨網索+鋼筋梯子梁。主要支護參數：頂板錨桿采用桿體直徑20mm、長度2400mm 的高強度螺紋鋼，間排距為700×1000mm，每排8 根均勻布置，靠近外側的2根錨桿向巷道外側傾斜10°，錨桿安裝時預緊力矩不小于150N·m，錨固力不低于100kN；頂板錨索采用直徑18.9mm、長度6000mm 的鋼絞線，錨索間排距為2000×1000m，沿巷道中心線對稱布置，垂直頂板施工，預緊力不小于200kN，每排兩根，垂直巷道頂板安裝；金屬網采用10#鉛絲焊制的經緯網，鋼筋梯子梁采用直徑14mm 的圓鋼制成。兩幫錨桿桿體同樣為高強度螺紋鋼，規格為Φ18×2200mm，間排距800×1000mm，靠近頂板的錨桿與水平方向呈10°，其余錨桿沿水平方向施工，金屬網和鋼筋梯子梁規格與頂板相同，幫部錨桿安裝時預緊力矩不小于50N·m，錨固力不低于50kN。

2.2 超前擴幫支護

1201 工作面回采前在1201 進風順槽內，由切眼開始進行擴幫，擴幫深度2200mm，高度為5000mm。擴刷區域的頂板支護錨桿規格為Φ20×2200mm 的螺紋鋼，錨桿間距為750mm，排距與原有支護相同；鋼筋梯子梁采用直徑14mm的圓鋼焊制；每兩排錨桿之間布置一根錨索，一排距離煤壁500mm，一排距離2000mm，交錯布置；錨索規格為Φ18.9×6000mm 預應力鋼絞線，垂直頂板施工，錨固方式與原有支護方案相同，預應力不小于200kN。擴刷煤幫支護錨桿采用規格為Φ18×2200mm 的玻璃鋼錨桿，間排距為1100×1000mm，每排4 根，最上部一根距離巷道頂板500mm，并向上傾斜10°安裝，其余三根錨桿沿水平方向垂直煤壁施工。1201 進風順槽擴幫后支護詳情如圖2 所示。

圖2 1201 進風順槽擴幫支護方案

2.3 混凝土墻支護設計

1201 進風順槽進行幫部擴刷后，隨之進行混凝土的充填。混凝土墻采用C35 混凝土，靠近煤壁一側距離煤壁200mm（預留變形量），混凝土高度為5000mm，寬度為2000mm，每次充填長度為3000mm，墻體采用錨栓+鋼筋梁加固，錨栓采用規格為Φ18×2150mm 高強左旋螺紋鋼，每排6根錨栓，每個充填墻體安裝4 排錨栓，錨栓間排距為800×700mm，最下部的錨栓距離底板500mm，最上部的錨索距離頂板500mm。混凝土墻體澆筑完成三天后對錨栓施加預緊力矩，預緊力矩不低于150N·m。同排錨栓間聯結的鋼筋梁由Ф14mm 圓鋼焊接，鋼筋梁寬度為400mm，長度為4400mm。

3 切頂卸壓方案設計

沿空留墻期間，由于上個工作面回采后，采空區頂板在墻體上方形成懸臂梁結構，常引起混凝土墻受壓嚴重，在下個工作面掘巷期間頂板仍未穩定，新掘巷道圍巖難以控制。切頂卸壓指通過對頂板進行預裂爆破，使工作面回采期間充填墻體上部采空區頂板隨采隨垮，防止采空區側頂板在充填墻體上部形成懸臂結構，使墻體穩定性得到提高。采空區頂板沿墻體邊緣預裂切縫垮落是切頂卸壓沿空留巷技術的核心環節，由于巖石碎脹特性的影響，冒落的矸石堆積高度大于原有巖層厚度，合理的切頂高度要求巷旁垮落的矸石能夠將采空區充填，對上覆回轉變形的鉸接巖塊產生有效的支撐作用，使充填墻體上覆圍巖快速達到穩定狀態。為使1201 工作面頂板在墻體附近垮落矸石能夠充填采空區，則最小切頂高度計算公式為：

為保證切落的頂板巖層能夠基本填充采空區，工作面采高為4.7m，頂板巖層碎脹系數取1.25～1.35，則切頂高度最小為13.4～18.8m。根據1201 工作面頂板巖層的具體情況設計切頂高度為16m，切頂炮孔組間距為4m，每組3 個炮孔，組內間距為2m，炮孔向采空區方向傾斜35°鉆進，豎直方向上夾角為0，炮孔實際長度為17.6m。預裂炮孔的布置詳情如圖3 所示。采用 CMS1-1300/22 煤礦用坑道鉆機打孔，每組三個鉆孔同時裝藥，每次一組進行放炮，放炮處距工作面50～100m。

圖3 預裂爆破切頂方案

4 實際應用效果分析

圖4 所示結果為切頂前后1201 工作面后方采空區內的場景，圖4（a）所示為切頂前采空區內的場景，圖4（b）為切頂后采空區的場景。對比可明顯看出，切頂前混凝土墻上部采空區側頂板未垮落，混凝土墻上部形成采空區側向懸臂；切頂后，采空區側向頂板隨采隨垮，防止了混凝土墻上部形成采空區側向懸臂，有利于混凝土墻體及1203 回風順槽的穩定。1203 回風順槽掘進期間，混凝土墻體穩定性良好，巷道變形量均在100mm 以下。綜上可知，1201 進風順槽切頂效果良好，取得較好的護巷效果。

圖4 煤壁附近頂板冒落狀態

5 結論

根據榆樹坡煤業1201 工作面實際情況，對1201 進風順槽擴幫支護、墻體充填、墻體支護的詳細參數進行設計，并設計頂板預裂爆破鉆孔的長度、間距及爆破方式，現場應用后對切頂效果及圍巖控制效果進行考察。結果表明，相較切頂前，切頂后采空區側向頂板隨采隨垮，基本能夠將采空區全部充填。1203 回風順槽掘進期間，混凝土墻體穩定性良好，巷道變形量均在100mm 以下，取得較好的切頂和護巷效果。