順槽沿空留巷弱化孔切頂及加強支護技術應用研究

劉曉龍

（山西科興能源發展有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概況

山西科興能源發展有限公司主采的15 號煤層厚度約2.2～2.9 m，煤層傾角3°，有一層夾矸約0.2～0.4 m，結構較簡單，屬穩定可采煤層。頂板為粉砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖，中厚層狀，含有少量云母片，厚度3.8～5.4 m；底板為灰色粉砂巖，含有大量植物根莖化石，厚度2.4～3.6 m。15#煤層及頂底板巖層均較松軟，屬于典型的“三軟”煤層。15113 工作面位于井田的南部，南為規劃的15115回采面，西為主要大巷，東為二采區開拓巷道，北為15111工作面。為減少巷道掘進量、節約留巷成本，對15113 運輸順槽沿空留巷無煤柱開采技術展開研究。15113 工作面采掘布置圖如圖1。

圖1 15113 工作面采掘布置圖

2 沿空巷道支護方案設計

2.1 留巷切頂階段支護研究

采用無煤柱沿空留巷技術時，回采工作面及其后方一定范圍內的沿空巷道圍巖穩定是支護的重點，該區段采空區上覆巖層垮落下沉，沿空巷道頂板與采空區巖層之間破斷，沿空巷道頂板巖層向采空區側回轉下沉，此階段為切頂留巷的重要環節，此時是考驗巷道支護的最關鍵時期，因此可通過此時所需的支護阻力來設計巷道支護方案。參考相關研究成果[1-2]，切頂階段巷道頂板的力學模型如圖2。

沿空巷道一側工作面基本頂AC 巖塊受到采空區上方基本頂的水平推力Tc：

式中：l為基本頂斷裂步距，根據鄰近工作面周期來壓情況，取15 m；q為上覆巖層給予基本頂的垂直應力及其自身重力，240 N/m；h為基本頂厚度，為5.9 m；ΔSc為基本頂AC 巖塊靠近采空區一側端點的下沉量，ΔSc=M-t·（kp-1），M為工作面采高2.3 m，t為直接頂厚度3.5 m，kp為上覆巖層的碎脹系數1.4，計算得到ΔSc=0.9 m。代入式（1）計算可得Tc=229.89 N/m。

鄰近接替工作面煤幫提供的垂直應力σy計算公式[3]：

式中：σy為煤幫內垂直應力，MPa；M為工作面采高，2.3 m；C為煤層粘聚力，1.87 MPa；φ為老頂內摩擦角，23°；ξ為系數，ξ= (1 + sinφ) (1 - sinφ)，計算得到ξ=2.28；f為摩擦系數，f=tanφ=0.42；γ為上覆巖層容重，25 kN/m3；H為工作面埋深，350 m；k為應力集中系數，2.5；Pi為單體液壓支柱支護阻力；k為應力集中系數，2.5。

分別建立巖塊AB、BC 的受力平衡方程，巖塊BCΣFy=0，即：

巖塊BC 水平方向受力平衡TB=TC，巖塊BCΣMB=0，計算可得：

巖塊ABΣMA=0，計算可得式（5）：

將式（3）、（4）代入式（5）可得到巷道內支護阻力的計算公式（6）：

2.2 支護方案

根據15113 運輸順槽頂板巖層特征，采用組合梁理論設計巷內錨桿、錨索支護參數，頂板錨桿長度為2.4 m，直徑為22 mm，每排5 根錨桿，間距為0.95 m，排距為0.8 mm，錨桿直徑22 mm；采用4840 mm 托梁配合冷拔絲網聯合支護，頂板錨桿采用MSK2335（在上）和MSZ2360（在下）型樹脂藥卷各一支；頂板普通錨索索體采用直徑為21.8 mm、長度6.0 m 預應力鋼絞線，采用“三花”布置，每排兩根錨索時距巷道中線950 mm 布置，錨索間距1900 mm，每排1 根時布置在巷道中線位置，排距為2.4 m；補強錨索索體采用直徑21.8 mm、長度8.0 m 預應力鋼絞線，距15113 工作面實體煤幫980 mm 布置，垂直頂板安裝，排距800 mm；普通錨索、補強錨索均采用一支MSK2335 和兩支MSZ-2360 樹脂藥卷錨固。幫補支護的設計參考現有實際經驗，幫角部位采用直徑22 mm、長度2.4 m 的全長自攻固螺紋鋼錨桿，錨桿分別向上方、下方偏斜10°安裝，中部兩根錨桿采用直徑22 mm、長度3.0 m 全長自攻固螺紋鋼錨桿，幫錨桿間排距為0.8 m，兩幫采用聚丙烯雙抗網護幫。15113 回風順槽支護詳情如圖3。

圖3 15113 運輸順槽支護（mm）

3 切頂弱化孔參數研究

3.1 弱化切頂鉆孔深度

預裂切頂需通過頂板爆破孔連線形成適當深度的切縫，使得工作面回采期間采空區頂板與沿空巷道頂板沿切縫處垮落。根據15113 運輸順槽地質條件，設計采用“密集弱化鉆孔”來替代傳統的預裂爆破切頂工藝，弱化孔的深度決定著頂板切落的高度，故超前工作面弱化孔深度的計算公式[4]：

式中：ΔH1為沿空巷道頂板下沉量，m；ΔH2為底板底鼓量，m；K為頂板巖層碎脹系數，1.3～1.5，根據科興能源3#煤層上覆巖層巖性，碎脹系數K取1.4。工作面采高取最大值2.3 m 時，計算可得弱化孔深度應為5.75 m，結合地質柱狀圖，確定15113 運輸順槽超前弱化孔深度為6.0 m，布置間距為0.3 m，鉆孔直徑為42 mm。

3.2 弱化孔角度研究

為取得最佳的切頂效果，采用數值模擬對最佳的弱化孔角度進行研究，三維數值模型尺寸長、寬、高為30 m、40 m、20 m，模型四周及底面邊界為位移約束條件。根據15113 運輸順槽的留巷特點，工作面一次開挖到位，巷道位于模型左側，距模型左側邊界6.0 m，斷面寬×高=4.4 m×2.6 m，模型如圖4（a）。頂板弱化鉆孔深度6.0 m，鉆孔與頂板的夾角分別為70°、80°、90°，孔間距為0.3 m，巷道頂板和兩幫采用前述的錨網索聯合支護方式，分別監測不同切頂角度條件下沿空巷道頂板下沉量，得到圖4（b）所示結果。

圖 4 數值模型及模擬結果

可以看出，切頂角度為80°、70°時，沿空巷道頂板下沉一定階段后，頂板下沉量不再增大，表明巷道頂板受到采空區冒落矸石的支撐作用形成穩定的結構。切頂鉆孔為70°時，頂板最大下沉量為334 mm；切頂角度為80°時，頂板最大下沉量為151 mm；切頂角度為90°時，雖然沿空巷道頂板下沉量較小，但是持續增大，表明采空區矸石為有效支撐巷道頂板，未形成穩定結構，不利于沿空巷道圍巖穩定。綜上表明，15113 運輸順槽弱化孔的最佳角度為80°。

4 應用效果分析

15113 運輸順槽為首個采用“巷內基本支護+密集支柱+弱化孔+錨索補強支護”切頂留巷技術的巷道，工作面回采期間，超前工作面50 m 進行打孔弱化頂板，超前工作面100 m 進行補強錨索安裝，工作面前方30 m 和后方100 m 范圍內采用單體柱+π 型鋼梁加固。現場應用期間15113 運輸順槽表面變形變化規律如圖5，工作面前方巷道變形量很小，留巷期間，巷道表面變形呈現逐漸增大至穩定不變的趨勢。滯后工作面80～90 m 時，巷道圍巖趨于穩定，兩個測點處頂底板最大移近量分別為285 mm、324 mm，頂底板移近量在合理可控范圍內，留巷效果較好。

圖5 15113 運輸順槽表面變形特征

5 結論

結合科興能源15113 運輸順槽詳細的條件，通過理論分析計算得到切頂留巷所需的巷內支護阻力為1519 kN/m，采用能夠滿足切頂強度要求的補強錨索配合單體柱+π 型鋼梁補強支護，理論分析計算確定“弱化孔”深度為6.0 m，數值模擬研究確定最佳切頂角度為80°。

15113 運輸順槽留巷試驗期間，兩個測點處頂底板最大移近量分別為285 mm、324 mm，巷道圍巖整體穩定性較好，弱化孔切頂卸壓沿空留巷技術可以推廣使用。