長平礦松軟厚煤層工作面留巷圍巖控制技術研究

程書暢

（晉能控股集團長平公司，山西 高平048400）

0 引 言

隨著厚煤層綜合機械化采煤工作面開采強度的增大，工作面采動影響下留巷的受壓及變形十分顯著[1-2]，因此減少留巷的變形，降低其巷修難度及成本是厚煤層工作面回采面臨的主要困難之一。以往主要通過增大巷間保護煤柱的寬度，或者對留巷進行后期補強支護以減少留巷圍巖變形，不僅浪費煤炭資源而且并未徹底解決留巷的大變形及復用巷修問題。

1 工程概況

長平煤礦主要回采3 號煤，平均厚度為5.75m，煤體普氏系數在0.3，正在回采的5302 工作面埋深平均550m，最大埋深可達720m。工作面采用四巷布置，應用重型放頂煤工藝，留巷與順槽間煤柱寬度為50m。回采巷道均沿煤層頂板掘進，毛斷面為5.8m×4.3m。

2 留巷變形特征及機理

2.1 變形特征

留巷受工作面采動影響，頂底板移近量平均在1.5m，最大可達2m；兩幫收縮量在900m，最大可達1.3m。受工作面超前支撐壓力影響，巷道圍巖變形不大（一般在200～400mm），從滯后工作面開始，留巷變形顯著提高。留巷圍巖變形觀測如圖1 所示。

圖1 留巷圍巖變形觀測

2.2 變形機理分析

1）首先長平礦3# 煤煤體松軟，裂隙發育，導致其強度低，在采動應力作用下進一步破碎，在破碎煤體的剪漲作用下，圍巖變形逐漸增大。

2）隨著工作面的推進，采空區直接頂、老頂不斷塌落，同時頂板破壞區繼續向上覆巖層擴展，使得頂板破壞所產生的應力集中影響范圍不斷增大，通過煤柱傳遞至留巷[3-4]，導致留巷圍巖兩幫塑性區進一步擴大，導致原基礎支護的錨桿進入到重新分布的塑性區內，使得原基礎支護的大部分錨桿對巷幫的支護作用大幅下降或者失效。

3）在頂板壓力的作用下，留巷兩幫已破壞的煤體失去強度，壓力繼續向底板傳遞，導致無支護狀態下的底板自由面成為釋放壓力的通道，留巷底鼓量增大。

3 留巷圍巖控制技術

3.1 優化一次支護

為提高留巷圍巖穩定，在原錨桿、錨索支護基礎上，對頂板進行補強支護，形成每排4 根7.3m 的錨索；為強化留巷巷幫支護，阻止巷幫塑性區的擴展，對巷幫進行回采前的補強支護，形成每排3 根5.3m 錨索支護，如圖2 所示。

圖2 留巷支護參數

3.2 切頂卸壓

根據懸臂梁力學模型，當在采空區側進行切縫阻斷懸臂梁的力學傳遞[5]，可降低采空區頂板塌落對煤柱的壓應力，從而降低留巷圍巖所受壓力，進而降低留巷圍巖巷幫、底板的變形。應用切頂卸壓技術，在工作面順槽煤柱側進行切頂卸壓，以減少回采工作面頂板垮落后對留巷圍巖的壓力傳遞。

1）切頂高度確定。根據長平煤礦巷道圍巖地質力學測試，3 號煤層頂板以上0～7.7m 為中粒砂巖，強度平均值為85.10MPa，7.7～10.0m 為砂質泥巖，強度平均值為63.56MPa，結合頂板鉆孔窺視結果分析以及綜合柱狀圖，爆破處理的高度應良好波及到強度較高、完整性較好的細粒砂巖頂板，設計爆破垂高為25.6m。

2）爆破鉆孔間距確定。利用3 號煤礦許用乳化炸藥進行爆破時，取炸藥密度ρ=1 120kg/m3，爆速D=3 600m/s，根據巖石性能參數，在被筒直徑50mm，鉆孔直徑65mm 情況下，通過理論計算得到頂板砂巖中形成的粉碎圈半徑為0.2m，裂隙圈半徑為0.8m。并應用工程類比法，切頂卸壓孔的間距步設計為2m，同時根據現場爆破效果，可將爆破間距調整為1.5m。

3）切頂參數確定。切頂爆破作業超前回采工作面60m 開始，以減少超前支護范圍內頂板的擾動。鉆孔深度確定為26m，爆破孔沿巷道軸向向采空區方向偏10°打設；為了避免“管道效應”（溝槽效應）產生炸藥殘爆，炸藥被筒直徑50mm、炮孔直徑65mm 時不耦合系數1.30 最佳；炮孔單排布置，孔間距初步確定為2m；炮孔斜長26m，裝藥長度16m、封泥10m。爆破參數圖如下圖2 所示，備桶斷面如下圖3 所示。

圖3 爆破參數圖

圖4 備桶斷面圖

4 留巷礦壓觀測

通過加強巷幫及頂板支護，在順槽煤柱側頂板進行切頂卸壓，實測得到典型的留巷圍巖變形觀測數據，可知巷道兩幫收縮量在420mm，底鼓量在800mm，與未采用留巷圍巖控制技術前相比，巷幫收縮量減少了53%，底鼓量減少了33%，如圖5 所示。

圖5 巷圍巖變形觀測數據

5 結 語

本文針對長平礦松軟厚煤層條件下，留巷圍巖變形大、復用巷修工程量大的問題，通過分析留巷大變形特征及機理，給出了綜合的留巷圍巖控制技術，結果表明：

1）針對松軟厚煤層留巷巷幫變形大，通過加強巷幫錨索支護強度，并補強頂板錨索支護強度，有效提高了留巷圍巖的承載力，降低了巷幫圍巖在采動應力作用下塑性區的擴展。

2）采用切頂卸壓技術，將工作面頂板懸臂梁對煤柱形成的應力傳遞切斷，降低留巷圍巖的壓力，有效降低了留巷圍巖變形。

3）切頂卸壓技術在松軟厚煤層的應用，也為該條件下實現小煤柱或者無煤柱開采提供了技術及工程實驗基礎。