復合頂板綜采工作面切頂卸壓留巷支護技術研究

郭美俊

（山西焦煤汾西礦業柳灣煤礦，山西 孝義 032300）

引言

預留煤柱護巷雖然可滿足采面開采需求，但是存在巷道掘進工程量大、煤柱內應力集中以及煤炭資源開采效率低等問題[1-2]。切頂卸壓沿空留巷可提高煤炭采收率、避免煤柱應力集中、降低掘進工程量以及實現Y 型通風等優點，在煤礦井下應用逐漸廣泛[3-4]。但是現階段切頂卸壓沿空留巷技術多應用在煤層頂板條件較好的工作面內，當開采煤層頂板為復合頂板時，留巷段往往面臨頂板破碎、圍巖變形量大等問題[5-6]。為此，本文以山西某礦11301 綜采工作面回風巷留巷為工程背景，對復合頂板留巷技術展開探討，以期為其他礦井類似情況下留巷工作開展提供經驗借鑒。

1 11301 綜采工作面工程概況

11301 綜采工作面是3 采區11 號煤層首采工作面，采面西部為未開采區域，南側以運順為界與工業廣場保護煤柱相鄰，東側采止線為界，北側以回順為界與JZ3-1 鉆孔相鄰，北部為未開采區域。11301綜采工作面傾向長度設計172 m、走向長度720 m，主采的11 號煤層為無煙煤，厚度3.55 m，傾角15°，埋深平均290 m，賦存較穩定。本工作面內煤層無巖漿巖體、陷落柱。

11 號煤層為泥巖、砂質泥巖、煤線以及砂巖等構成的復合頂板，在采面回風巷頂板位置施工窺視鉆孔，但鉆孔鉆進至8.5 m 時出現塌孔無法繼續施工，具體鉆孔窺視成果以及頂板巖層分布情況見圖1、圖2。從圖1、圖2 中可看出，11 號煤層頂板為典型的復合頂板，砂巖、泥巖等組合變化大；回風巷頂板上覆1.5 m 范圍內存在巖層破碎、離層情況明顯；頂板上覆2～5 m 范圍內存在厚度變化較大的砂巖及砂質泥巖，該層巖層破壞狀態直接影響回風巷切頂留巷效果。

圖1 鉆孔窺視圖

圖2 鉆孔揭露頂板巖層情況

2 工作面切頂卸壓留巷技術方案

2.1 回風巷補強加固

11301 工作面開采的11 號煤層埋深平均290 m，地應力顯現不明顯，巷道原錨桿+錨網組合方式支護圍巖。為確保留巷期間回風巷頂板巖層穩定，提出采用恒阻錨索對巷道頂板進行加固。頂板布置的恒阻錨索規格為Φ21.8 mm×12 300 mm，每排施工3根。采用工字鋼將沿著巷道走向連接鄰近的錨索；錨索布置間距、排距均為1 400 mm。巷道補強支護采用的錨索均使用4 支MSZ2350 錨固劑錨固，有效錨固長度控制在2 000 mm。錨固完成后使用MZ22-200 張拉機施加給錨索200 kN 以上預緊力。具體頂板補強加固設計如圖3 所示。

圖3 恒阻錨索補強支護示意圖

2.2 深孔定向爆破切頂

在11301 回風巷頂板采用深孔定向爆破切頂降低采空區頂板垮落給留巷段圍巖影響及圍巖變形量。具體深孔切縫鉆孔深度可通過式（1）計算：

其中：H煤為工作面采高，取3.55 m；ΔH1為頂板變形量，取40 mm；ΔH2巷道底鼓量，取20 mm；K 為3號煤層頂板碎脹系數，取值1.30。將上述數據帶入公式（1）計算得到H縫=11.6 m。

定向爆破切頂鉆孔采用ZQJ.200/1.8Q 鉆機施工，具體切頂鉆孔施工布置參數見表1。

表1 切頂鉆孔施工參數

11 號煤層為復合頂板，考慮到頂板成縫率、巖層條件并結合以往留巷經驗，將頂板切縫高度設計為11.6 m。切頂爆破時采用的雙向聚能管內徑、外徑分別為36.5 mm、42 mm，聚能管長1 500 m，在聚能管內裝有4 卷規格為Φ35 mm×345 mm、重量400 g煤礦許用三級水膠炸藥。

2.3 留巷段支護方案

根據11301 綜采工作面開采情況，將采面劃分為四個區段，超前采面前方20 m 范圍為超前支護區、采面后方120 m 范圍內為滯后支護區、采面后方120～200 m 范圍內為成巷待穩定區、采面后方200 m以外范圍內為成巷穩定區。不同區域內應采取對應的巷道圍巖控制措施，具體11301 回風巷支護分區如圖4 所示。

圖4 支護分區示意圖

2.3.1 超前支護區及滯后支護區支護

超前支護采用工字鋼、單體架棚組成邁步式抬棚進行支護。

滯后支護區支護采用液壓抬棚+單體支柱+II型梁支護頂板，并采用U 型鋼、金屬網等組成檔桿支架避免采空區內冒落矸石進入留巷空間。采用的單體支柱為DW28-DW35、單體抬棚為ZQL2×3200/17.5/35，按照一梁三柱組合方式對留巷段頂板進行支護，棚間距均為1 200 mm。檔矸支護中U 型鋼柱間隔800 mm 并布置在切頂線外50 mm 處，每架U 型鋼柱由2 節U 型鋼組成，U 型鋼搭接長度控制在400 mm 以上，在搭接處采用2 道限位卡纜固定。具體支護斷面設計如圖5 所示。

圖5 強化支護結構（單位：mm）

在II 型梁下鋪設單吊軌（MK10-16000N）用以回撤液壓抬棚、單體以及II 型梁等支護材料，降低作業勞動強度。

2.3.2 成巷待穩定區支護

在采面后方120～200 m 范圍為成巷待穩定區，在該范圍可跟根據礦壓顯現情況以及回風巷變形情況對支護方案進行設計。當巷道圍巖壓力顯現明顯或者圍巖變形量較大時，可保持原有滯后支護區支護參數不變；當礦壓顯現不明顯且圍巖變形量穩定后，則可間隔一棚回撤一棚，將架棚間距由1 200 mm 增加至2 400 mm。

2.3.3 成巷穩定區支護

在采面后方200 m 以外范圍內屬于成巷穩定區，在該區域內可依據礦壓呈現以及圍巖變形情況對支護方案進行確定。當礦壓不顯現且圍巖變形穩定時，則可回撤全部支護棚；當礦壓顯現不明顯或者圍巖變形逐漸趨穩時，則可對原支護架棚間隔一棚回撤一棚；當礦壓仍有顯現時，則保持原有架棚支護。

3 留巷段支護效果分析

11301 綜采工作面回風巷采取上文所述切頂卸壓留巷支護方案后，對圍巖變形進行監測，具體結果見圖6 所示。

圖6 圍巖變形量

從圖中看出，隨著測點滯后采面距離的增加，測點圍巖變形量變化曲線呈現先增加后趨于平穩趨勢，在滯后采面200 m 以后，留巷段圍巖變形基本穩定，其中頂板最大下沉量為170 mm，圍巖變形量整體較小，可滿足回風巷后續使用需要。

4 結論

1）為提高礦井煤炭開采效率，提出將切頂卸壓留巷技術應用到11301 回風巷圍巖控制中，將巷道保留為鄰近采面服務。但是受到巷道頂板為復合頂板影響，留巷過程中面臨頂板破碎、圍巖變形量大以及控制困難等問題。為此，提出采用恒阻錨索、W 型鋼帶對巷道頂板進行超前支護，提高支護強度；使用深孔定向爆破切頂切斷采空區頂板與留巷段頂板應力傳遞路徑，降低采空區垮落給留巷段圍巖控制影響。

2）采用液壓抬棚+單體支柱+II 型梁對留巷頂板進行支護，使用U 型鋼、金屬網構成檔矸支架避免采空區冒落矸石進入留巷空間。現場應用后，留巷段滯后采面200 m 變形趨于穩定，期間頂板最大下沉量控制在170 mm 以內，取得較好的圍巖控制效果。