12408工作面切頂卸壓沿空留巷技術研究與應用

曹冬冬

(西山煤電(集團)有限責任公司安監局，山西 太原 030053)

切頂卸壓沿空留巷作為一種煤炭安全高效回采技術，憑借高煤炭回采率、可延長礦井服務年限、巷道掘進量少、成本投入低、可緩解采掘接替緊張和有效治理工作面瓦斯超限等優點近年來在我國的應用日益廣泛[1-3]。因此，國內諸多學者和專家對切頂卸壓沿空留巷技術進行了大量的研究。王建文等建立了頂板切縫力學模型,分析了厚煤層切頂卸壓巷道裂隙發育機理和影響因素，提出了切頂卸壓沿空巷分段支護技術和裂隙發育判據條件[4]。王永安和任智敏提出“超前加強支護+定向預裂爆破切頂+留巷補強支護”的切頂卸壓沿空留巷技術，有效消除了開采所形成的“弧形三角頂板”對沿空留巷的影響[5]。針對上一工作面采動影響下沿空留巷變形量大、支護困難等問題，袁超峰、王朋衛、高曉旭、王瑨和劉亞洲等分別根據具體工作面地質條件，確定了切頂卸壓具體方案，有效控制了沿空巷道變形量[6-10]。上述研究極大促進了切頂卸壓沿空留巷技術的發展和應用。本文針對屯蘭礦12408綜放工作面沿空留巷圍巖變形大、支護困難的現狀，基于切頂卸壓沿空留巷技術原理，制定了切頂卸壓沿空留巷方案，并分段對12408軌道巷道進行支護，以期為類似工程條件下的工作面采用切頂卸壓沿空留巷技術提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工作面概況

屯蘭礦位于太原市以西60 km的西山煤田，目前主采2號和8號煤層，其中12408工作面屬南四盤區2號煤層，+750 m水平。工作面地面標高1 036～1 175 m，井下標高819～874 m。工作面地表以山地地形為主，溝谷縱橫，蓋山厚度186～343 m。工作面北鄰12405采空區，南側為未采區。工作面走向長度為938 m，傾斜長度為235.5 m。工作面2號和3號煤層厚度穩定，采取合并聯采方式進行回采。2號煤層厚度為2.87～3.15 m，均厚3.01 m；2號與3號煤層間有一層均厚0.73 m的炭質泥巖；3號煤層厚度為0.72～1.10 m，均厚0.91 m；煤巖層總厚度為4.65 m，煤層有益厚度為3.92 m。2號和3號煤層煤質均為焦煤。工作面煤層整體向南傾斜，煤層傾角為2～8°，平均傾角5°。工作面及巷道布置如圖1所示，工作面煤巖層及頂底板條件如圖2所示。

圖1 12408工作面及巷道布置示意

圖2 煤巖層綜合柱狀

1.2 工作面存在的問題

2號煤采用“U+瓦斯治理巷+底抽巷”型通風方式，即工作面布置4條巷道：軌道巷、膠帶巷、瓦斯治理巷、底抽巷。工作面兩條巷道進、回風；瓦斯治理巷通過橫貫與軌道巷道聯通對上隅角瓦斯進行抽放，瓦斯治理巷與底抽巷形成通風系統。在12408工作面回采過程中，12408軌道巷頂板下沉、幫鼓和底鼓等現象嚴重，巷道變形較大、斷面變小。在下一工作面回采復用時需進行拉底、挑頂、擴幫施工，增大了職工勞動強度和支護成本、降低了安全系數、降低了單進效率、影響了礦井有序銜接，嚴重制約了礦井安全高效生產。為了解決上述問題，決定在12408工作面進行切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術，切頂巷道為12408軌道巷道(矩形斷面，斷面尺寸為5 000 mm×3 500 mm)。

2 切頂卸壓沿空留巷基本原理和方案設計

2.1 切頂卸壓沿空留巷基本原理

切頂卸壓沿空留巷基本原理如圖3所示。切頂卸壓沿空留巷具體是指對采場前方預留巷道進行超前支護后，在留巷內側巖體中布設爆破切頂炮孔，對采場頂板進行預裂爆破致使頂板按設定角度和方向產生切縫，以切斷采空區頂板和采場頂板間的聯系，從而達到降低留巷頂板應力的目的[4]。在對頂板進行預裂切縫后，隨工作面推進頂板懸露面積增大，沿空留巷采空區側頂板在周期來壓作用下發生回轉并從預留切縫處垮落，進而形成沿空巷巷幫[4-5]。此外，在沿空留巷原支護基礎上，對巷道進行補強支護，從而維護沿空留巷圍巖穩定。

圖3 切頂卸壓沿空留巷基本原理

2.2 切頂卸壓方案及參數

1) 布孔方式。圖4和圖5分別為切頂卸壓炮孔布設平面圖和切頂卸壓炮孔剖面圖。圖4中圓圈表示開口位置。沿巷道采空區側頂板布設1排炮孔，根據工作面地質條件，應力波與爆生氣體準靜壓共同作用條件，確定了炮孔間距為1 500 mm。設計鉆孔直徑D≤50 mm，選用鉆桿直徑D=42 mm，鉆頭直徑D=48 mm，炮孔直徑D=50 mm，炮孔與豎直方向夾角α=11°。

圖4 切頂卸壓炮孔布設平面(mm)

圖5 切頂卸壓炮孔剖面(mm)

2) 炮孔長度。由12408工作面地質條件和鉆孔取芯巖性分析結果知，工作面上方14.5 m范圍內的巖層為主要弱化巖層。因此，根據式(1)[8-10]求得炮孔長度L：

(1)

其中，Mc為炮孔垂直深度，m；α為炮孔與豎直方向夾角，°。

3) 裝藥參數及結構。裝藥長度為7 m，封泥長度為8 m，具體裝藥參數見表1。采用不耦合裝藥，正向爆破。每個切頂孔在裝藥前，先在巷道內按照爆破裝藥設計參數從孔底聚能管開始連續裝藥并安設雷管和引線，然后將引線穿過第二根聚能管，并將第一根和第二根聚能管用連接件連接，然后按照上述方法，依次完成全部聚能管裝藥。另外，在炮孔封泥封孔前，采用聚能爆破定向桿調整聚能管切縫方向與切頂線一致，調整完畢方可封泥。

表1 爆破設計參數

3 沿空留巷支護設計

根據切頂卸壓沿空留巷技術的特點及以往工作面礦壓強度顯現的不同程度，將12408軌道巷道劃分為三段分別進行支護加固，具體為：

1) 超前支護：在切縫前，采用單體液壓支柱(間距800 mm)+工字鋼(4 m長11號工字鋼)超前工作面100 m對12408軌道巷道進行超前支護。

2) 留巷段補強支護：在距巷道煤壁2 700 mm處施工1排錨索(錨索為D21.6 mm×6 300 mm、間距1 000 mm、D16 mm的圓鋼托架連接)，對12408軌道巷道留巷段進行錨索補強支護。

3) 留巷段架后加固及擋矸：在12408軌道巷道留巷段架后采用木頭堆柱對巷道進行加固支護(堆柱2根為一組，距幫2 000 mm，間距1 000 mm)，采用鋼筋網擋矸，木板進行封閉。

4 工業性試驗

為了檢驗本次切頂卸壓效果，在12408軌道巷道內按間距100 m布置2個巷道表面位移監測站(1號和2號測站)，采用十字布點法對12408軌道巷表面位移進行監測和記錄，觀測頻率為1次/d，累計觀測50 d，監測數據如圖6所示。

圖6 切頂后50 d內巷道表面位移量

由圖6可知，12408軌道巷道實施切頂卸壓后50 d內，1號和2號測站所監測的巷道頂底板和兩幫位移量均呈先快速增大后趨于穩定的變化規律，巷道頂底板位移量明顯大于兩幫位移量。另外，1號測站所監測的巷道頂底板和兩幫位移量最大值分別為108.71 mm和91.12 mm，2號測站所監測的巷道頂底板和兩幫位移量最大值分別為111.89 mm和88.69 mm，表明采用切頂卸壓沿空留巷技術后，12408軌道巷頂底板和兩幫位移量均在允許范圍內，滿足下一工作面復用要求。

5 結 語

1) 對12408工作面存在的問題進行分析并提出了切頂卸壓沿空留巷技術。

2) 基于切頂卸壓沿空留巷技術基本原理并結合12408工作面具體地質條件，制定了切頂卸壓沿空留巷具體方案。

3) 在切頂后將12408軌道巷劃分為超前工作面100 m、留巷段和留巷段架后三段分別進行支護，現場實測結果表明：12408軌道巷頂底板和兩幫位移量最大值分別為111.89 mm和91.12 mm，能夠保證正常使用。