鹿臺山礦切頂卸壓沿空留巷關鍵技術研究及應用

張軍鵬，李旭鋒

（1.山西煤炭進出口集團鹿臺山煤業有限責任公司，山西 晉城048200；2.山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治046000）

沿空留巷技術是礦井無煤柱開采中較為廣泛的技術之一，具有資源回收率高、采掘接替緊張問題得以緩解、礦井服務年限得以增加、解決工作面上隅角瓦斯超限問題等優點[1,2]，還可防止由于煤柱應力集中而出現的安全問題[3]，是國內煤炭行業安全高效開采的重要途徑。以往沿空留巷主要是通過在采空區側進行充填的方法進行留巷，并且國內外許多學者在該領域內作了大量的研究工作。李化敏[4]基于充填沿空留巷的研究背景，建立了其充填體的支護阻力、變形量力學模型。唐建新等[5]基于充填沿空留巷的背景，提出在采空區側采用混凝土充填、巷內采用錨網索、采空區側采用錨索加固等手段進行聯合支護，并得到頂板離層的臨界值?？导t普等[6]基于埋深較大情況下的沿空留巷，提出適合該條件下的支護原則。盧小雨等[7]根據支架-圍巖力學關系原理，對留巷頂板下沉問題進行了分析研究。孫曉明等[8]基于薄煤層地質條件下的切頂卸壓沿空留巷，研究了切頂高度、爆破方式、留巷補強支護等關鍵參數，現場應用效果良好。以上研究成果豐富和發展了沿空留巷無煤柱開采技術的理論。但切頂卸壓沿空留巷的關鍵是通過爆破的手段將留巷與采空區頂板進行預裂切縫，采空區頂板因自重及時垮塌，因此沿空留巷圍巖控制的關鍵則是確保其安全可靠。

以鹿臺山礦2202工作面為研究背景，對切頂卸壓沿空留巷關鍵技術參數作了研究分析，結合其工藝技術，設計合理的切頂、支護參數，并在現場作了試驗，對同類條件下礦井實施切頂卸壓沿空留巷中提供技術參考。

1 地質概況

2202工作面開采2號煤層，煤層結構較為簡單，煤厚平均2.2 m，煤層傾角平均5°，其自燃傾向性為Ⅲ級，且不易自然；煤塵沒有爆炸性。煤層總體分布呈現出單斜構造，局部范圍發育存在次一級的向、背斜構造。該工作面北邊煤層為全煤，南邊煤層距底板約1.6 m處含有0.1~0.3 m厚的黑色泥巖夾矸?；卷敒榫嗝簩?0~14.1 m厚的細粒砂巖，巖性較為堅硬且不易冒落。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況

2202軌道巷長1 302 m，皮帶巷長1 287 m，工作面長159.6 m，工作面為矩形布置，軌道巷可采1 245 m，皮帶巷可采1 230 m，平均可采1 237.5 m，工作面布置如下頁圖1所示。采用傾斜長壁后退式綜合機械化開采、全部垮落法對頂板進行處理，2202軌道巷采用沿空留巷技術，將其保留下來當作2203皮帶巷，工作面回采期間，被保留下的2202軌道巷（2203皮帶巷）承擔2202工作面回風用途。

圖1 工作面布置示意圖

2 切頂卸壓沿空留巷關鍵技術

切頂卸壓沿空留巷技術基于“砌體梁”理論，在采煤工作面超前一定范圍內，在巷道靠近回采幫側的頂板利用爆破的手段對頂板作定向預裂處理[9-11]，在巷道、采空區頂板交界處出現預裂切縫，可以將其之間的力學聯系阻斷；根據圍巖壓力與巖石碎脹性的原理，采空側上方基本巖層將會隨工作面的向前推進而及時垮塌、冒落，在巷旁擋矸防護體系的作用下自動成幫[12-14]，將回采巷道予以保留。

2.1 切頂留巷工藝

根據切頂卸壓沿空留巷技術原理，提出以下其技術工藝：在工作面超前巷道內靠近回采幫的頂板施工切頂鉆孔，并進進行預裂爆破，將會在預設方向上出現切縫，即為圖2中的切頂線；同時在巷道內采用高強預應力錨索作補強，保證留巷時其圍巖的穩定可靠，達到強幫固頂的效果；工作面推過后，緊隨工作面端頭支架沿著預裂位置架設擋矸防護設備，并利用垛式支架或單體柱配合π型梁臨時支撐頂板，隨工作面繼續推進采空區頂板沿切頂線及時的垮塌，且自動形成碎石幫[15]；采空區內頂板充分垮落且壓實后，留巷圍巖結構將趨于穩定狀態，隨后逐步對巷內的單體支護取消或支護密度減小，結合現場留巷狀況在碎石幫側作噴漿或在架設擋矸設備時加上擋風布處理，起到隔絕采空區的作用；完成留巷后，可作為臨近工作面回采巷道使用。其技術工藝流程如圖2所示。

2.2 切頂卸壓關鍵參數

切頂卸壓參數的合理選取是保證沿空巷道是否保留下來。超前預裂切縫是在工作面超前巷道內利用爆破手段將巷道與采空區上方基本巖層之間形成預裂切縫，切斷其基本巖層間的物理力學聯系，能夠減弱采空區側基本巖層垮落對留巷產生的不良影響，并且還能夠使采空區側頂板及時的垮落形成碎石幫，如圖2-4所示。預裂爆破技術即通過相鄰炮眼爆破產生的應力波相互干擾作用和爆生氣體高壓靜力作用使相鄰炮眼中心連線產生裂縫，從而實現被爆破巖體預裂切縫。

圖2 切頂沿空留巷工藝流程

超前預裂切縫其主要包括：預裂爆破鉆孔施工；鉆孔裝藥封孔及連線；鉆孔預裂爆破。通常在巷道掘進形成之后就可以施工，最遲應超前工作面前方30 m，既要避開工作面超前壓力的影響，也要避免影響工作面正常生產。

2.2.1 爆破鉆孔參數

根據切頂卸壓沿空留巷技術工藝，結合鹿臺山2202工作面運巷實際地質狀況，確定切頂孔距回采幫0.2 m；鉆孔傾角α、β分別是巷道正視圖中鉆孔與水平方向的夾角、巷道中線剖面圖中鉆孔與水平方向的夾角，分別為90°、70°，鉆孔需要向工作面后方傾斜；鉆孔直徑和間距均為0.5 m，采用50 mm的鉆頭和Φ42 mm的鉆桿。

對留巷造成不利因素的關鍵是工作面推過后其端部所出現的“弧形三角板”和采空區、巷道上部頂板所殘留的邊界，并且均在煤層上方的基本頂細粒砂巖內，所以切頂高度為細粒砂巖上邊界，因此切頂高度為14.8 m。爆破鉆孔參數須結合工作面實際情況確定，并保證采用預裂爆破能夠將工作面上部的中粒砂巖完全切斷，減弱頂板因垮落時產生的劇烈活動對沿空留巷造成不利影響，因此得到預裂切縫鉆孔深度為15.8 m。

2.2.2 鉆孔裝藥及封孔結構

為保證將巷道頂板沿走向方向切落，采用預裂爆破技術進行，影響預裂效果的關鍵是切縫寬度、裝藥密度和不耦合系數及炮孔填塞的程度等。2202運輸巷預裂爆破鉆孔直徑50 mm，礦用三級乳化炸藥直徑為32 mm，不耦合系數取1.6。

按照相關規定，深孔爆破時封孔長度不能小于爆破鉆孔深度的三分之一。鉆孔內裝藥分三部分，具體炸藥量見圖3，炸藥需要采用PE半管將其送入。采用瞬發電雷管對炸藥進行引爆，正向裝藥；每組炸藥2個電雷管，并聯布置。裝藥時需要將雷管插入炸藥中，并用膠帶將其綁在半管上后放入孔內。封孔段為水泡泥段、空氣柱段和炮泥段。鉆孔裝藥及封孔結構如圖3所示。

圖3 鉆孔裝藥結構及封孔結構示意圖

2.3 巷道補強支護方案

在進行超前切頂爆破后，巷道頂板由于爆破應力波的擾動，原支護體系面臨失效的可能，屆時將會發生頂板下沉或離層，為抑制該問題，應加強原支護體系的強度，即補強支護。在巷道頂板超前切頂爆破后，在頂板施工預應力錨索補強支護，在切縫附近布置抬棚等補強支護設備，主要作用是：組合加固頂板，強化頂板厚短懸臂梁的結構，提升頂板整體的強度；減少頂板下沉量，確保巷道斷面滿足工作面安全生產的要求。

頂板補強支護其主要包括：檢驗錨桿錨索支護強度，對不合格的錨桿（錨索）補打；頂板補打高強預應力錨索。補強支護應緊跟頂板爆破，最遲應超前工作面30 m內進行。結合工程經驗和該運巷頂底板條件，利用錨索補強、巷內單體柱抬棚的主被動聯合補強支護的方式。

2.3.1 錨索補強支護

在該運巷原支護體系上補打高強錨索，其錨固端錨入中粒砂巖不小于2/3，確保其錨固效果。主動支護采用直徑21.6 mm、長度13.3 m的補強錨索，垂直巷道頂板布置1根錨索，排距為1.0 m，距回采幫0.7 m；每根錨索用5支樹脂藥卷加長錨固（上方用2支CK2335型、下方用3支Z2360型）；被動支護采用走向單體柱配合π型梁，且支柱均穿“鐵鞋”，初撐力要大于100 kN，如圖4所示。

圖4 補強支護示意圖（mm）

2.3.2 巷幫擋矸防護

工作面回采后其后方采空區上方基本巖層的垮塌，造成工作面的周期性來壓。采空區內的矸石將會竄入留巷內，不能滿足安全生產要求，所以需在留巷采空區側布置擋矸防護設備。根據該礦實際地質條件，在工作面端頭支架后方架設可伸縮U型鋼、雙層金屬網、木板背幫等擋矸防護設備，可以阻斷采空區內的矸石竄進巷內的路徑，起到抑制碎石幫變形的作用。

具體擋矸防護情況：擋矸金屬網長3.0 m、寬1.1 m且互相搭接；采用2根長度1.8 m的可伸縮U型鋼，互相搭接長度要大于0.5 m，并用2套U型卡連接，間距為0.5 m；在碎石幫與U鋼接觸不充分的位置運用木板背幫。工作面推過后，緊隨其端頭支架后部先搭接金屬網、后布置可伸縮U型鋼，均在切頂線靠近巷內側布置。為有效抑制幫部壓力對U型鋼造成的不利影響，通過Ф20 mm×2 400 mm左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿將其固定在頂板，錨桿排距0.5 m；并采用支撐桿連接U型鋼，提高其整體穩定性。滯后工作面200 m后留巷碎石幫與U型鋼接觸不充分位置，利用木板背幫。并保證金屬網之間、及其與頂板網之間相互搭接，U型鋼下扎大于0.1 m。擋矸防護示意如圖5所示。

圖5 巷幫擋矸防護斷面圖（mm）

2.3.3 滯后臨時支護

工作面后方范圍內巷道受動壓影響明顯，壓力較大，容易出現頂板下沉、兩幫變形增大等情況。滯后臨時支護即在工作面后方礦山壓力動壓影響區（滯后工作面200 m內），采用單體液壓支柱抬棚、液壓抬棚、液壓支架、“#”型木垛等被動支護手段配合密集單體柱支撐頂板，如圖6所示。滯后臨時支護采用單體液壓支柱配合π型梁或工鋼梁臨時支撐頂板，減弱采空區上方關鍵巖層的運動及礦壓顯現對巷道的影響，抑制頂板下沉，使滯后臨時支護區內的巷道平穩進入成巷穩定區。滯后臨時支護緊隨工作面端頭支架后方布置，與采空區擋矸防護同時實施。滯后臨時支護與可伸縮U型鋼間隔布置，且單體支柱均“穿鐵鞋”，初撐力大于100 kN，具體支護參數如圖6所示。

圖6 滯后臨時支護斷面圖

3 應用效果分析

基于切頂留巷技術要求，確定在2202軌道巷內進行巷道變形、錨索受力等監測，間隔50 m布設一個測站。

3.1 留巷變形分析

采用“十字布點法”對留巷變形狀況進行觀測，經觀測數據分析得知，頂板下沉量最大98 mm，底鼓量最大102 mm，實體煤幫變形最大134 mm，采空區幫變形最大108 mm。

圖7 4號測點變形曲線

從數據分析可知，開始留巷后，因采動壓力和周期來壓的作用，留巷變形速率較大，屬于動壓劇烈影響區A，位于工作面后方約60 m內；隨留巷長度增加，受采動影響較小，滯后工作面60 m后其變形速率已變緩，屬于動壓緩慢影響區B，位于工作面后方約60~120 m內；隨著留巷長度進一步增大，留巷受動壓影響特別小，滯后工作面120 m后，留巷變形已趨于穩定狀態，即為留巷一次穩定區C，位于動壓緩慢影響區之后，此時可回撤臨時支護；逐步取消臨時支護，造成應力的再次分布，引起留巷圍巖微弱變化，留巷有所變形，即為回撤影響區D，位于留巷開始回撤臨時支護地點附近；留巷再次穩定后，臨時支護已基本取消，圍巖活動也已穩定，留巷完成，即為成巷穩定區E，位于回撤影響區后方。

3.2 頂板錨索受力分析

基于補強錨索受力觀測數據分析可知，錨索安裝時載荷為286 kN，錨索距工作面20 m時因工作面超前壓力的影響其受力緩慢增大；在工作面推過錨索位置時則迅速增大，其受力載荷為322 kN。隨工作面繼續開采，錨索與工作面的距離逐漸增加，回采動壓或周期來壓對錨索的受力也逐漸變小，其受力也將趨于穩定。錨索受力最大值較初始值增加了36 kN，與錨索破斷力相比仍是較小，說明錨索支護效果較好，能夠控制留巷頂板。

4 結論

1）提出以“切、補、護、支”為基礎的切頂卸壓沿空留巷技術，即超前工作面一定范圍內在巷道頂板進行超前預裂切縫，在原支護體系上采用高強預應力錨索、單體支柱抬棚對頂板進行補強支護，采用單體柱配合π型梁臨時支撐頂板，采用金屬網、可伸縮U型鋼、木板背幫對采空區幫進行擋矸防護等聯合支護措施。

2）在鹿臺山礦2202工作面進行現場工業性試驗，結果表明，沿空留巷圍巖變形主要表現為非對稱性特征；切頂留巷頂板下沉量98 mm，采空區幫漲幫變形最大108 mm，實體煤幫最大變形量134 mm；留巷變形可以滿足安全生產，成巷效果良好。

3）采用切頂卸壓沿空掘巷技術后，鹿臺山礦采掘接替緊張的問題得以緩解，留巷頂板下沉、幫部變形得到有效控制，為今后無煤柱沿空留巷技術的應用提供技術借鑒。