塔山礦8305工作面無煤柱開采留巷支護設(shè)計

王御軍，張學鋒，盧 碩，楊敬軒

(1.晉能控股煤業(yè)集團 同煤大唐塔山煤礦有限公司， 山西 大同 037003；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院， 江蘇 徐州 221116)

為提高煤炭資源回收率，緩解煤礦采掘接替緊張局面，工作面無煤柱開采沿空留巷技術(shù)近年來得到了大力推廣[1-3]，尤其針對中厚煤層開采，該技術(shù)條件極為適用，取得了較好的經(jīng)濟社會效益[4-5]. 采用的定向爆破切頂技術(shù)保障了留巷采空區(qū)側(cè)頂板的垮斷與充填，及時發(fā)揮了對巷道覆巖的主動支撐作用，減小了頂板側(cè)向懸長的附加影響，為沿空巷道的安全支護創(chuàng)造了卸壓條件[6-8]. 以晉能控股煤業(yè)集團塔山煤礦8305工作面5305巷的留設(shè)支護為背景，在切頂留巷覆巖結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，確定最危險情況下的巷道覆巖控制區(qū)范圍，給出合理的沿空巷道支護方案，提出可行的巷旁擋矸與密實封堵技術(shù)，保障沿空巷道的安全留設(shè)。

1 工程概況

塔山礦2#煤層8305工作面位于三盤區(qū)東翼東北部。東北鄰近盤區(qū)邊界，東南鄰近8306工作面，西南以三盤區(qū)大巷為界，西北至二盤區(qū)與四盤區(qū)共同盤區(qū)邊界。蓋山厚度在462～518 m，平均490 m. 煤層平均厚度3.3 m，平均傾角2°，結(jié)構(gòu)簡單，可采走向長度1 350 m，工作面傾向長度300 m. 煤層頂?shù)装逡陨百|(zhì)巖性賦存為主，巖性堅硬，結(jié)構(gòu)相對完整。工作面頂?shù)装逯鶢顖D見圖1.

工作面覆巖以砂質(zhì)巖性賦存為主，巖層賦存相對完整，巖性較硬。采取爆破切頂工藝，利用炸藥的高爆能配合聚能管的聚能定向作用，實施堅硬頂板的超前爆破預(yù)裂，為無煤柱高效開采提供技術(shù)支持。切頂為煤層上覆細砂巖及粗砂巖，切頂高度11 m.

2 切頂巷道覆巖結(jié)構(gòu)及支護區(qū)確定

2.1 切頂巷道覆巖結(jié)構(gòu)

為降低臨近采空區(qū)堅硬頂板懸長對沿空留設(shè)巷道圍巖產(chǎn)生較大附加作用力，采取深孔定向爆破切頂方法，減小巷道覆巖采空側(cè)懸長，提高采空區(qū)空間充填度，及時發(fā)揮采空區(qū)冒落矸石支撐能力。沿空留設(shè)巷道頂板爆破切頂后的覆巖結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2 爆破切頂后的巷道覆巖結(jié)構(gòu)圖

沿空留設(shè)巷道臨近的采空區(qū)垮落帶高度范圍內(nèi)頂板斷裂冒落填充采空區(qū)空間；垮落帶高度之上巖層活動空間受限，斷裂頂板塊體間相互咬合(如圖2中的A-B-C塊體)，形成砌體梁結(jié)構(gòu)，具有較高的承載性能。

2.2 巷道覆巖支護區(qū)確定

巷道頂板斷裂塊體間相互咬合，形成承載主體結(jié)構(gòu)。砌體梁結(jié)構(gòu)下位巖層重量分別由工作面實體煤、巷道支護體以及臨近的采空區(qū)冒落矸石墻體支撐。其中，工作面實體煤及采空區(qū)矸石墻體為主要承載結(jié)構(gòu)，巷道支護體是人工安全活動區(qū)的小支護結(jié)構(gòu)。出于安全設(shè)計理念，考慮巷道頂板完全失穩(wěn)條件下(頂板沿實體煤幫斷裂)的覆巖重量(圖3)，據(jù)此確定最危險情況下的巷道覆巖控制區(qū)高度H為：H=M/(k-1)=3.3/0.3=11 m. 其中，M為煤層開采厚度，k為采空區(qū)矸石碎脹系數(shù)，取1.3.

圖3 巷道頂板支護區(qū)圖

3 切頂巷道覆巖支護設(shè)計

3.1 巷道頂板支護設(shè)計

1) 單體支護設(shè)計。

根據(jù)塔山礦8305工作面5305沿空留設(shè)巷道控頂高度為11 m，巷道寬度4.8 m，覆巖平均容重26 kN/m3. 考慮最不安全情況下(覆巖活動影響期間)的巷道安全支護，計算10 m長巷道覆巖控制區(qū)所需安全支撐力約13 730 kN. 采用DW40-250/110X型柱塞懸浮式外注單體液壓支柱進行支護，單根支柱額定支撐力為250 kN，所需單體柱總數(shù)為55根，據(jù)此確定的單體支柱排距為1.0 m，采用“五梁五柱”支護方式，根據(jù)巷道寬度，確定單體柱間距為0.88 m，配合使用0.8 m長的π型頂梁，頂梁擺放方向垂直巷道軸向，見圖4.

圖4 沿空留巷單體支護形式及效果圖

2) 錨桿(索)支護設(shè)計。

8305工作面采取深孔爆破切頂技術(shù)實現(xiàn)了無煤柱留巷開采。5305巷道深孔爆破切頂作業(yè)過程中，為保持巷道頂板的穩(wěn)定，采取的補強支護措施為“錨索+W型鋼帶、錨索+鋼托板”支護方式，見圖5. 錨索d17.8 mm、L5 300 mm，間排距3 000 mm×1 600 mm. 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿d22 mm、L2 500 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm. W鋼帶排距1 000 mm，高強度拱形托板150 mm×150 mm×10 mm. 第一排補強錨索距進向左幫650 mm，d21.8 mm、L7 000 mm，間排距1 500 mm，配合300 mm×300 mm×16 mm鋼托板、W型鋼帶3 300 mm×250 mm，相鄰鋼帶兩眼相互疊加不留縫隙搭接。第二排補強錨索距進向左幫1 500 mm，d21.8 mm、L7 000 mm，間排距3 000 mm，配合300 mm×300 mm×16 mm鋼托板。

圖5 切頂留巷過程中的補強支護圖

需要指出的是，錨索補強支護將巷道直接頂巖層直接懸吊于覆巖完整的中粒砂巖層中保證巷道頂板表面的穩(wěn)定。采取錨索、錨桿組合支護方式充分保證巷道低位巖層的組合受力及結(jié)構(gòu)整體性。

3.2 巷道擋矸支護設(shè)計

采空區(qū)冒落矸石自然堆積具有膨脹特性，受上覆巖層重量影響，采空區(qū)堆積矸石壓縮過程中同步產(chǎn)生橫向位移，導(dǎo)致沿空留巷的鼓幫現(xiàn)象。為減小留巷墻體的橫向變形，需采取特定的擋矸支護技術(shù)。同時，考慮冒落矸石的不規(guī)則排列及滲流特點，亦需采取對應(yīng)的防風堵漏措施?；诖?，提出采用“U型鋼+金屬網(wǎng)+風筒布”的擋矸支護及密實封堵技術(shù)，見圖6.

圖6 留巷墻體擋矸支護及密實效果圖

5305擋矸支護采用U29鋼支架配合使用8#菱形金屬網(wǎng)沿切縫線支設(shè)，U29鋼支架頂部d30 mm圓鋼穿入頂板施工爆破孔內(nèi)，底部開槽深度0.3 m，底座置于槽內(nèi)，間距為0.5 m. 具體操作步驟為：

1) 工作面端頭支架向前拉移，在液壓支架切頂線前，沿巷道切縫線支設(shè)擋矸U29鋼支架，支設(shè)完畢后回撤成巷穩(wěn)定區(qū)0.8 m范圍內(nèi)的煤柱側(cè)四排單體液壓支柱，轉(zhuǎn)運至5305巷超前支護區(qū)前端備用。

2) 待端頭液壓支架切頂線距最近已安裝擋矸網(wǎng)0.3 m時，采煤機停機閉鎖，沿頂板從上向下補充8#菱形金屬網(wǎng)，及時用14#鉛絲將菱形金屬網(wǎng)上端與原巷道金屬網(wǎng)捆扎牢固，金屬網(wǎng)邊搭接寬度為0.1～0.2 m，下端金屬網(wǎng)垂至巷道底部。安裝金屬網(wǎng)時，必須與切頂線后方的金屬網(wǎng)對齊，并利用14#鉛絲將菱形金屬網(wǎng)與U29鋼支架捆綁牢固，自上而下均勻捆綁5道。金屬網(wǎng)安裝完成后及時沿切縫線支設(shè)U29鋼支架，保證新支設(shè)的U29鋼支架與原安裝的U29鋼支架成一條直線。

3) 擋矸支護完成后，采煤機開機正常割煤，當刮板運輸機繼續(xù)向前推移2個循環(huán)距離1.6 m后，端頭支架切頂線距已安裝擋矸網(wǎng)為0.3 m時，采煤機停機閉鎖，依照上述步驟支設(shè)擋矸支護，擋矸支護步驟依此循環(huán)。

4) 金屬網(wǎng)配合U29鋼擋矸支護過程中，沿空留巷采空區(qū)側(cè)使用風筒布配合金屬網(wǎng)構(gòu)筑人工封堵，減少采空區(qū)漏風，降低采空區(qū)遺煤與氧氣接觸面積。風筒布在金屬網(wǎng)外側(cè)并滯后支架10～20 m，利于架后采空區(qū)瓦斯及時隨風流排出。

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)工作面煤巖賦存特征，分析了爆破切頂后的巷道覆巖結(jié)構(gòu)，確定了最危險情況下的巷道覆巖控制區(qū)為4.8 m×11.0 m.

2) 給出了沿空巷道的“五梁五柱”支護方式，間排距為0.88 m×1.00 m；補強支護為“錨索+W型鋼帶、錨索+鋼托板”結(jié)構(gòu)。

3) 提出并實施了“U型鋼+金屬網(wǎng)+風筒布”的擋矸支護及密實封堵技術(shù)，保障了沿空巷道的安全留設(shè)。