切頂卸壓沿空留巷施工方案優化研究

王玉新，陳慧明，楊月飛

(河南能源化工集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

隨著我國煤炭開采技術的逐漸進步，沿空留巷是實現無煤柱開采的主要措施，具有可觀的經濟和社會效益，切頂卸壓技術是目前較為先進的無煤柱護巷技術，在煤礦中已經廣泛應用。國內學者也對此進行很多研究，文獻[1]研究了大采高工作面復雜應力擾動下切頂卸壓沿空留巷技術，該技術有效改善了留設巷道圍巖應力狀態，避免了巷道二次甚至多次返修，控制了留設巷道圍巖變形，降低了巷道的支護難度和支護成本；文獻[2]對柔模混凝土沿空留巷和切頂卸壓沿空留巷進行了對比分析，采用切頂卸壓沿空留巷，可以消除作業過程中的危險步驟，優化了施工步驟，降低了施工難度和成本及職工勞動強度，保證了作業安全；文獻[3]研究了中厚煤層堅硬頂板切頂卸壓主動留巷關鍵參數，采用理論分析和數值模擬相結合的方法，分析了切頂爆破中切頂高度，切縫角度對沿空留巷圍巖應力分布和位移的影響，然后根據無煤柱開采技術巷道圍巖變形的關鍵部位，設計了補強錨索支護設計參數。鑒于此，本文對2901下巷的切頂卸壓沿空留巷支護進行了優化設計，研究為類似地質條線下切頂卸壓沿空留巷施工方案優化提供了技術支持。

1 工程概況

研究工作面位于29采區上部南翼，工作面北為南二風井工廣保護煤柱，西側及南側為火成巖侵蝕影響帶，東為2903工作面，工作面平均煤厚2.73 m，可采儲量約78.9萬t；工作面標高在-380.2～-483.5 m，地表標高在+29.1～+32.9 m；工作面南北走向長879～949 m，東西傾斜長208～220 m；工作面地質構造條件中等，工作面煤層整體呈單斜構造形態，煤巖層傾向96°～152°，煤層傾角7°～13°，平均10°。運輸巷共揭露4條斷層，分別為F2901-1(H=2 m)、F2901-2(H=0.9 m)、F2901-3(H=1.2 m)、FD3(H=12.7 m)；運輸巷中部受火成巖侵蝕影響，火成巖沿煤層中部及頂部侵入，局部煤層變薄且形成火成巖、天然焦混合體，影響長度約189 m。

從巷道掘進過程中頂板支護實鉆結果分析，煤層直接頂厚約4.32 m，多為泥巖及砂質泥巖，黑色致密，多見黃鐵礦膜及植物根、葉化石碎片；基本頂巖性以細粒砂巖、粉砂巖居多，厚度約9.7 m，細粒砂巖灰白—淺灰色，石英長石為主，泥鐵質膠結，水平層理較發育；粉砂巖、灰白色，條帶狀，垂直裂隙發育，充填方解石脈，斷口平坦；煤層的直接底厚度約4.28 m，以泥巖為主，灰—灰黑色，塊狀，節理發育，含少許植物化石、方解石、黃鐵礦；基本底厚度約14.3 m，以細砂巖、砂質泥巖為主，細砂巖灰白色，條帶狀，微波—斜層理，含鐵質，堅硬，主要成分為石英、長石，云母次之，裂隙充填方解石脈；砂質泥巖灰色、條帶狀，垂直裂隙發育，充填方解石脈。煤層頂底板巖性見表1。

表1 煤層頂底板巖性Tab.1 Coal roof and floor lithology

運輸巷凈寬4 400 mm(毛寬4 700 mm)，頂板支護采用φ22 mm×2 200 mm高強錨桿支護，每排使用1片6眼4.35 m的W鋼帶(眼距830 mm)，里段130 m及停采向外10 m錨桿間排距830 mm×900 mm(區段1)，其余段錨桿間排距為830 mm×800 mm(區段2)。頂板施工2排錨索，錨索邁步布置，分別布置在巷道中心線兩側0.7 m位置，里段130 m及停采向外10 m錨索間距3 600 mm，其余段錨索間距3 200 mm，錨索規格為φ21.6 mm×7 200 mm，錨索托盤采用1塊長300 mm舊36U型鋼壓平加工的托盤(圖1)。

圖1 2901運輸巷原支護斷面Fig.1 2901 lower roadway original supporting section

2 切頂卸壓沿空留巷支護優化設計

2.1 頂板補強及切頂卸壓錨索加固設計方案

煤層頂板由下向上依次為砂質泥巖(厚1.51 m)、泥巖(厚2.81 m、累計4.32 m)、粉砂巖(厚4.7 m、累計9.02 m)、細粒砂巖(厚5.0 m、累計14.02 m)，在煤層頂板4.32 m以上范圍內均為穩定巖層，設計加固錨索的錨固端需在此范圍之內。

(1)運輸巷頂板打設的加固錨索(梁)分為補強加固單錨索、補強加固錨索梁以及切頂加固錨索梁3類[4-6]。具體打設要求：①補強加固單錨索。在原頂板錨索支護的基礎上，補打單錨索進行補強加固，與原頂板錨索形成雙排錨索；在此基礎上，位于巷道中心線以下的原頂板錨索，在其下方側距巷道中心線1 700 mm的位置補打1根單錨索。均使用φ21.6 mm×7 200 mm鋼絞線，保證與原頂板錨索錨固端位于一個層位。②補強加固錨索梁。平行于頂板鋼帶，與頂板單錨索交叉布置，且位于相鄰鋼帶正中間，一梁兩索，錨索梁使用18號槽鋼加工，長度1 800 mm(眼距1 400 mm)，錨索均勻布置巷道中心兩側(距巷道中線700 mm)，使用φ21.6 mm×9 200 mm鋼絞線。③切頂加固錨索梁。在距巷道中心線1 700 mm(距切縫線300 mm，以巷道中心線定位為準)位置施工一排走向錨索梁，一梁兩索，錨索梁使用18號槽鋼加工，長度1 200 mm(眼距800 mm)，使用φ21.6 mm×10 200 mm鋼絞線，遇頂板鋼帶時可縮小間距，在斷層影響段，縮小錨索間排距，加密支護，局部頂板不平可改為單錨索。上述3類加固錨索(梁)，每根錨索使用4根MSZ2350樹脂錨固劑，預應力為220 kN，使用MQ22-200型張拉機具時壓力值為44～45 MPa。

(2)運輸巷下幫側打設豎向錨索梁進行加固，一梁兩索，錨索梁使用18號槽鋼加工，長度1 200 mm(眼距800 mm)，錨索均勻布置在巷幫中部，巷幫高度超過3.5 m時使用長度為1 800 mm(眼距1 400 mm)的錨索梁，使用φ21.6 mm×6 200 mm鋼絞線，錨索梁排距1 600 mm，每根錨索均使用4根MSZ2350樹脂錨固劑，預應力為150 kN(-0～+10 kN)，使用MQ22-200型張拉機具時壓力值為30～32 MPa。加固錨索(梁)布置及幫部加固錨索梁布置如圖2所示。

圖2 加固錨索(梁)布置及幫部加固錨索梁布置Fig.2 Arrangement of reinforcement anchor cables (beams) and arrangement of reinforcement anchor cables and beams

2.2 巷道臨時支護設計方案

工作面推進過程中，不同位置巷道受采動影響不同。工作面超前段受到超前壓力的影響。工作面開采后，頂板開采垮落，且從垮落到穩定需要一定的時間。因此，距工作面較近的架后區域不僅需要進行頂板支護，還需進行擋矸防護。根據巷道與工作面切眼距離礦壓顯現距離程度，將工作面附近劃分為4個區：超前支護區(工作面前方20 m)、滯后支護區(架后0～120 m，根據以往充填留巷經驗，留巷段壓力顯現有周期性，最明顯處約為工作面長度一半的位置)、成巷待穩定區(架后120～200 m)、成巷穩定區(架后200 m以外)。不同分區根據需要采取不同的支護措施[7-10]，分區如圖3所示。

圖3 巷道支護分區Fig.3 Roadway supporting zone

(1)超前支護區。此段巷道位于工作面超前采動影響區，巷道頂板壓力較大。因此，需要超前加強支護，根據2901工作面錨索加固替代常規超前支護方案加固及切頂卸壓錨索加固后，超前支護區頂板采用錨索主動支護，不再增加其他支護。當出現特殊情況時，需使用單體柱配長4 m的Π型鋼梁架傾向棚進行支護，“一梁三柱”，棚距800 mm±50 mm。超前支護范圍及支護密度根據實際情況調整，特殊情況：①運輸巷過F2901-1(H=2 m)、F2901-2(H=0.9 m)、F2901-3(H=1.2 m)、FD3(H=12.7 m)斷層段，尤其是斷層面前后位置，以及火成巖侵蝕區域，施工加固錨索期間在上述地段增加液壓枕(量程80 MPa以上)，觀測錨索受力變化，進入超前動壓影響范圍之內后，如出現頂板錨索增阻臨近80 MPa、頂板錨索出現失效、頂板離層儀深基點離層量超過50 mm時。②運輸巷過淋水段、頂板破碎段，頂板錨索出現失效、頂板離層儀深基點離層量超過50 mm時。③其他頂板來壓異常情況。

(2)滯后支護區(架后0～120 m)。架后0～120 m區域使用單元式液壓支架長4 m的Π型鋼梁傾向棚一梁三柱進行支護，排距800±50 mm，梁頭距運輸巷下幫200 mm±100 mm，垂直于巷道中線布置，上幫側單體柱距切縫線600 mm±100 mm，中間排單體柱位于巷道中線位置，下幫側單體柱距下幫700～800 mm，保證風筒(直徑600 mm)吊掛空間，切頂護幫支架布置在距切縫線1 100 mm±100 mm的位置，隨回采推進使用單軌吊向外搬移。支護斷面如圖4所示。

圖4 滯后支護區支護斷面Fig.4 Support section of lagging supporting area

(3)成巷待穩定區(架后120～200 m)。單元式液壓支架向前搬移至滯后支護區使用，視壓力情況，如壓力仍有顯現，則保持滯后支護區支護棚密度不變，如壓力顯現不明顯，則對原滯后支護區支護棚隔一棚回一棚，棚距改為1 600 mm。

(4)成巷穩定區(架后200 m以外)。視壓力情況，如壓力仍有顯現，則保持滯后支護區支護棚密度不變，如壓力顯現不明顯，則對原滯后支護區支護棚隔一棚回一棚，如確認已穩定則支護棚全部回撤復用。

2.3 巷旁擋矸支護設計

運輸巷沿空留巷巷旁擋矸支護計劃采用36U型鋼柱配合菱形網(貼采空區側)+金屬網支護(貼巷道側)。

(1)擋矸U型鋼鋼柱間距800 mm±50 mm，打在切縫線以外50 mm的位置，每架36U型鋼柱使用2節，搭接長度不低于400 mm，搭接處連接2道限位卡攬，每架鋼柱3道連接板。

(2)擋矸網采用8號鐵絲編織的菱形金屬網制成，尺寸為3 700 mm×1 300 mm，短邊沿巷道走向布置，菱形網與金屬網均從頂到底全高鋪設，鋪設到頂底板的長度不小于200 mm，使用14號鐵絲將菱形金屬網、金屬網與頂板網可靠連接。菱形網搭接寬度為200～300 mm，使用14號雙股鐵絲連接，鐵絲扣間距不超過200 mm，金屬網搭接寬度為200～300 mm，使用14號雙股鐵絲連接，鐵絲扣間距不超過200 mm。

(3)沿空留巷工序銜接。使用U型鋼柱擋矸時，采煤機割透機頭后，上行向機尾側正常割煤，采煤機上行至15號架以上位置時，沿空留巷人員鋪設擋矸網并支設擋矸U型鋼柱，作業完畢后按照采煤工序進行移架、推溜作業。

3 頂板預裂切縫設計方案

通過預裂爆破，在局部范圍切斷頂板的應力傳遞，進而減弱頂板垮落時對沿空留巷的擾動作用，且預裂爆破能夠很好的保護巷道頂板完整性。

3.1 預裂切縫孔深的確定

預裂切縫深度(H縫)計算公式：

(1)

式中，ΔH1為頂板下沉量；ΔH2為底鼓量；K為碎脹系數，不同巖石的碎脹系數見表2。

表2 幾種巖石的碎脹系數Tab.2 Breaking expansion coefficient of several rocks

根據工作面綜合柱狀圖巖性情況，2901運輸巷直接頂巖石主要為泥巖、砂質泥巖，厚度4.32 m，基本頂為細砂巖、粉砂巖，厚度為9.7 m，泥巖、砂質泥巖的碎脹系數K取1.22，細砂巖、粉砂巖的碎脹系數K取1.4，在不考慮底鼓、頂板下沉，僅考慮采高(2.73 m)的影響，計算出切縫深度為7.8 m，考慮到煤層頂板巖層條件和成縫率，結合本部礦井施工經驗，預裂切縫孔深度設計為8.5 m。為準確掌握巷道頂板巖性情況，在巷道掘進施工頂板錨索、離層儀期間，加強對頂板巖性的收集工作，進而為頂板切縫孔深度設計提供準確數據，結合巷道不同位置頂板巖性情況，施工相應深度的切縫孔。

3.2 雙向聚能爆破預裂技術實施方案

采用雙向聚能爆破預裂技術，巷道掘進期間掘進方向煤層坡度-8°～+6°，迎面墻左右2°～14°，左低右高，設計鉆孔沿巷道中心線方向沿鉛垂線、垂直巷道中心線方向與鉛垂線夾角為13°，允許偏差不得超過±0.5°，孔位落在鋼帶上時，可以往回調(不得超過600 mm)，間距為600 mm，孔徑48 mm，孔深8 500 mm。雙向聚能管采用特制聚能管，外徑為42 mm，內徑為36.5 mm，管長1 500 mm。聚能爆破采用煤礦需用三級水膠炸藥，規格為φ35 mm×345 mm/卷，每卷400 g。

3.3 爆破預裂切縫施工工藝

爆破預裂切縫施工工藝：①每個切頂孔內自孔底開始安裝約長6 750 mm聚能管(約4.5根)，各個聚能管之間用連接件連接，整體聚能管內共分4處裝藥段(可根據巖性及現場爆破情況進行調整)。切頂孔在裝藥前保證孔內裝藥通順(可先進行通孔)，然后在巷道內從聚能管孔底側裝藥段開始連續裝藥并安設雷管和引線，然后將引線穿過聚能管，并在第2段裝藥處開始連續裝藥并安設雷管、引線，重復按照上述方法，依次完成全部聚能管內裝藥(由于切縫鉆孔深度較大，雷管自身引線較短時可進行引線的續接，但必須保證連接可靠，用絕緣膠帶包裹住引線接頭)。要求聚能管內每段裝藥均采用連續裝藥，每段設置1個雷管，并使雷管均勻分布在聚能管內。為防止聚能管內的藥卷滑落，可在每段最后一卷藥下方穿炮線擋住，同時也可在聚能管上用鐵絲設置倒鉤，避免聚能管在切縫孔內滑落。②裝藥數量：自孔底開始，在前4節聚能管的孔底側進行裝藥，安裝藥卷數量依次為2卷、2卷、1卷、1卷，具體裝藥數量可根據現場爆破試驗情況進行調整(鉆場口處切縫孔裝藥量應適當進行調整)。③連線方式：串聯。④起爆孔數：初次試驗1次起爆3個孔；正式施工階段1次起爆10個孔(其他礦井1次起爆16個孔)。⑤封孔：聚能管以下孔口全部用硬質黃土炮泥封堵嚴實。⑥其他爆破注意事項、警戒設置及相關要求必須在措施中明確規定。

切頂卸壓孔裝藥結構及爆破深度如圖5所示。

圖5 切頂卸壓孔裝藥結構及爆破深度示意Fig.5 Schematic diagram of charge structure and blasting depth of cut top pressure relief hole

3.4 頂板預裂切縫施工安排

(1)頂板預裂切縫施工范圍。自切眼采空區幫至停采線，位于已進行錨索加固范圍內。

(2)根據生產計劃安排2901工作面預計在2020年4月份正式生產，工作面生產前抽調專人在2901運輸巷進行頂板預裂切縫施工。因運輸巷膠帶布置影響，上幫側寬度不足布置鉆機需要，頂板預裂切縫施工期間，可將施工段膠帶暫時拆除，施工結束后統一進行恢復。

(3)如工作面生產前頂板預裂施工未施工至停產線，在每月底預留4 d進行集中施工，避免與生產組織相互影響。

4 監測方案設計

4.1 監測內容

以巷道頂板離層監測為例。頂板失穩往往造成冒頂事故，頂板的穩定性是各類巷道圍巖穩定性判定的核心，在錨網索支護巷道中更是如此。為此，在此次支護實施過程中，要及時掌握巷道頂板在錨固范圍之內與錨固范圍之外的離層情況以及早發現頂板失穩征兆，避免冒頂事故發生，同時還可為完善支護參數提供依據。

4.2 測站布置

為掌握巷道圍巖變形及礦壓顯現情況，對巷道及工作面的變形及受力情況進行監測，以便制定進一步措施。2901工作面運輸巷每50 m設置1個測站，每個測站由1套頂板離層監測儀。

(1)測站布置。巷道頂板活動的主要表現為彎曲下沉、離層、冒頂，必須通過儀器才能監測和掌握他的活動狀況，確保安全生產。在測站安裝頂板離層儀(圖6)，進行數據收集，并及時整理分析數據。

圖6 頂板離層儀布置Fig.6 Layout of roof separation instrument

(2)監測儀器及方法。頂板離層指儀主要用以監測錨桿支護巷道頂板2個范圍(錨固范圍以內和錨固范圍以外)的離層值，主要由基點錨頭、測繩、套管、外測筒與內測筒等組成。安裝時將深基點(10 400 mm)錨頭固定在深部穩定基巖內，淺基點(2 400 mm)固定在錨桿端部位置。

(3)數據處理。測點距工作面切眼30 m以內進入超前影響范圍時，每天都進行觀測；30～50 m時，每3天觀測1次；50 m以外或每周變形量小于5 mm時，每周觀測1次。每天觀測記錄及分析應及時上報有關人員。

4.3 監測結果

以5號和6號頂板離層儀為例，分析了淺基點離層觀測值、深基點離層觀測值、錨桿錨固范圍內離層量、錨桿錨固范圍外離層量及頂板離層總量，結果見表3和表4。

表3 5號頂板離層儀觀測記錄Tab.3 Observation record of No.5 roof separation instrument mm

表4 6號頂板離層儀觀測記錄Tab.4 Observation record of No.6 roof separation instrument mm

由表3和表4可知，巷道頂板離層總量均在要求范圍內，該技術具有良好的支護效果。

5 結語

通過對切頂卸壓沿空留巷支護優化進行設計，主要為頂板補強及切頂卸壓錨索加固設計、巷道臨時支護設計及巷旁擋矸支護設計，分析了頂板預裂切縫設計方案，主要為預裂切縫孔深的確定、雙向聚能爆破預裂技術實施方案、爆破預裂切縫施工工藝及頂板預裂切縫施工工藝，并進行了巷道頂板離層監測，研究為巷道后期支護設計提供了借鑒。