登茂通礦切頂卸壓沿空留巷支護設計

＊史虎平

（陽泉煤業集團安澤登茂通煤業有限公司 山西 042509）

1.引言

2019年，登茂通礦繼續推廣應用簡易切頂卸壓沿空留巷技術，先后在2106、2105、3111、3110工作面進行了應用。從留巷效果來看，巷道狀況不錯，完全滿足鄰面回采巷道需要，這種工藝，操作簡單，成本投入低。通過四個工作面的應用，發現留巷內十字鉸接梁、護腿柱、單體柱毀損嚴重，整個沿空留巷支護體系由于十字梁的斷裂，造成了整體支護強度破壞，增加了更換柱及重復性支護勞動強度。為了減少材料損壞，提高材料復用率，對原沿空留巷支護進行了改進，取消了十字鉸接梁，護腿柱底部尖端設計，經3111、3110工作面應用，沿空留巷200m以后，拖腿柱變形少了，單體柱也減少了折損，礦壓得到了有效控制，對成本節支、安全生產有著重大意義。

2.簡析沿空留巷主要的覆巖運動特點

施工人員結束開采工作面煤層之后，上覆巖層會出現規模較大的運動而且會造成持續性的應力調整，由此出現采動應力場，位于采空區域邊沿位置的沿空留巷，頂板自然會在一定程度上受限于采動應力場。據相關研究表明，其具體運動依據時間能夠劃分成三個階段，分別是前期、過渡以及后期。這樣一來回采工作面范圍內的煤層結束后，基于向前移動支架，這樣會直接導致后面的巖層沒有了以往的支撐，由此一來采空側，很容易就此破斷變成進入到倒臺階狀態，那么頂板便能夠在此時期內遭受到來自直接頂出現垮落以及其他因素造成的影響，常見于旋轉下沉這種變形模式，而在這一階段的整體活動過程也便是所說的前期活動時期。如果直接出現完全垮落之后，其基本頂也相繼出現斷裂以及旋轉下沉，在下沉中的頂巖塊逐漸形成相對穩定且堅實的砌體梁結構，至于基本頂的覆巖，其自身重量會依托直接頂逐漸轉移至層面的實體煤，在其深部形成應力集中并且獲得基本頂穩定保護的巷道，在相關范圍內位于低應力區，頂板在這一階段的變形依舊是直接頂以及基本頂主要是旋轉變形，一方面速度較快，另一方面具有較大的變形，而頂板運動在這一時期則屬于過渡期。煤層在采出之后，上覆巖層通常不是一次性就實現垮落的，會依據自下往上的方式實現分層以及分組形式的斷裂垮落。因為處在采空區域的邊緣，這樣一來針對礦壓大小，不僅僅是局限在低位巖層自己的結構特征以及具體的垮落程度，而且在上覆的若干巖層組所發生的分次垮落，會在一定程度上針對側向頂板出現較大干擾，進而影響到這一區域。在砌體結構變得穩定之后，其借助應力分流逐漸轉移至采空區矸石上，這樣會造成煤體以及直接頂出現一定損傷，由于這樣的情況，壓力峰值則會出現變大，與其同時會向著深部區域發生轉移，從而發生平行下沉，這一時期也便是所謂的后期活動期而且變形模式是平行下沉，基于分次發生的覆巖垮落而呈現出相應的波動性，一方面這種變形發生的時間相對偏長，可是速度偏小，另一方面垮落層位伴隨進一步的向上發展，會降低覆巖垮落針對圍巖所造成的影響，在垮落至相應的高度后趨于穩定，通過需要達到裂隙帶高度，借助側向頂板，上覆巖層的具體載荷能夠傳遞到低位巖層，然后在一定的煤體范圍之內出現應力集中；受到有效保護，在一定程度上能夠有效釋放圍巖應力讓其能夠比應力區低；而受到上覆載荷影響，能夠讓采空區域內的矸石不斷壓實，進而逐漸恢復應力，所以在橫向采礦場順次構建以下應力區：分別是高承載、卸壓以及應力恢復區。

3.切頂卸壓沿空留巷支護分析

(1)切頂卸壓的原理

沿空留巷就是采用相應的支護方式將靠近采空區邊緣的巷道保存下來，主要優點是減少了巷道的掘進量，缺點是在實施過程中需要考慮很多的因素。通常情況下，沿空巷道會承受較大的支承壓力變形，這主要是由于采空區頂板的壓力傳遞到巷道的上方，在巷道周圍形成一個應力升高區[1-2]。為了應對這種情況，專家學者們采用切頂卸壓技術。切頂卸壓技術本質上就是采用深孔聚能爆破或切割機使得巷道的頂板和采空區的頂板進行分離，從而達到阻斷應力傳遞的效果。切落的頂板隨預定軌跡緩緩下沉，形成巷道的幫部，隔斷了來自采空區集聚高應力的傳遞，如圖1所示。

圖1 切頂卸壓沿空留巷示意圖

切頂卸壓沿空留巷技術的發展得益于深孔聚能爆破技術和大型頂板切割機的發展。隨著這項技術的日漸成熟，越來越多的礦井采用來這種方式來進行無煤柱開采。在切割頂板后，頂板下落自動形成巷道，不僅提高了沿空留巷的成功率，還能降低沿空留巷的工程量[3]。值得注意的是，在卸壓后仍需要對巷道進行加強支護。這是由于沿空巷道受到了重復采動的影響，會產生較大的變形。

(2)留巷支護設計

通過以上分析，切頂卸壓后仍需要對沿空巷道進行加強支護。在對巷道進行支護時，需要考慮到支護的工程量和經濟性。根據回采前期巷道的變形程度，可以將巷道分為劇烈變形段和穩定變形段。一般地，可以認為回采推進200m以外是穩定變形區域[4]。為了保證支護的經濟性和降低支護的工程量，這里采用了簡易的支護。

對于沿空巷道的劇烈變形段，在工作面端頭支架移架后，將采空側超前支護替換為單體柱配頂梁支護，留巷內共布置三排支護，1.2m鉸接頂梁為“一梁兩柱”支護，排距0.6m，單體柱穿鐵鞋；1.2m鉸接頂梁與工字鋼護腿鉸接擋矸，與護腿柱鉸接的頂梁下單體柱穿復合鐵鞋，如圖2所示。

圖2 變形劇烈區巷道支護示意圖

對于沿空變形穩定區，在進行支護作業時，撤去巷內實體煤幫側一排單體柱，剩余兩排單體柱+一根工字鋼護腿支護，如圖3所示。

圖3 變形劇烈區巷道支護示意圖

這種支護的主要特點是取消了原十字鉸接梁，工字鋼護腿底端設計為尖端。頂板來壓后，護腿柱能迅速插入底板，不至于將腿壓彎。靠采空側鉸接梁下為一梁兩柱，能更有效支護頂板。靠采空側鉸接梁末端設在切頂錨索巷道內側，采空側切頂錨索能很好的保護單體支護。

4.應用效果以及不足

改進了沿空留巷支護設計后，取消了原十字鉸接梁，工字鋼護腿損耗率也大大降低，按照2020年沿空留巷2000m計算，取消了原十字鉸接梁可減少投入十字鉸接梁3333個，單價為510元/個，可以節約支護成本170萬元，工字鋼護腿改進可減少投入工字鋼護腿約1000根，單價為45元/根，可以節約支護成本4.5萬元，合計可以節約支護成本174.5萬元，另外減少人員勞動強度，極大降低了安全隱患，保證工人人身安全，經濟效果明顯。

根據3111、3110沿空留巷的支護情況來看，也有不足的地方，沿空留巷后期，受頂板礦壓影響，局部地段出現了底膨現象，需要進行起底，個別單體柱卸液自降需要補液或更換，目前3110留巷斷面為4.5m×2.6m，留巷斷面大，礦壓大，后續應將斷面變小，改為4m×2.6m，可以進一步減少礦壓對支護體的破壞，提高材料復用率。

5.小結

切頂卸壓沿空留巷是無煤柱開采的重要方法之一。為了保證沿空巷道的穩定性，在切頂卸壓后仍需要對沿空巷道進行支護。根據多年的工程經驗，登茂通礦在支護設計時取消了原十字鉸接梁，以簡化巷道支護的流程。通過現場試驗可以發現，簡化后的支護不僅能滿足巷道支護的需要，還提高了工人的勞動強度。但這種支護還存在著一些不足，需要在日后的工程應用中加以完善。