斜溝煤礦厚煤層無煤柱自成巷關鍵技術研究及應用

周 超

(山西焦煤西山煤電斜溝礦，山西 呂梁 033600)

目前，“110”工法已在我國多種類型地質條件下進行應用試驗及實踐，研究重點在于該技術的參數設計、礦壓特征等[1-2]，可為各類礦井引入該技術提供參考。斜溝煤礦目前采用留設大煤柱的沿空掘巷方式進行生產，存在諸多問題：①留設大煤柱造成了資源的大量浪費；②超長工作面導致采掘接續緊張；③超長工作面導致掘巷成本加大；④常規支護材料不具備“大變形”特性，容易引發巷道變形破壞。針對以上問題，提出了厚煤層無煤柱自成巷開采方法，研究成果將從根本上解決資源浪費、采掘失衡以及巷道變形等問題。

1 工作面概況

18505工作面位于15采區北中部，東側、南側為實煤區，切割北側及東側附近存在原扒樓溝煤礦8號煤越界采掘破壞區域，北側247.8 m是斜溝煤礦井田邊界，西側為已回采完畢的18503工作面；地面標高1 040～1 212 m，工作面標高831～987 m，蓋山厚度108～329 m.工作面面積915 558 m2，工業儲量5.47萬t，8號煤層厚度2.6～5.9 m，平均煤厚4.35 m.留巷對象為18505材料巷，留巷長度約1 600 m，如圖 1 所示。18505 工作面煤層上覆巖層依次為厚度平均1.84 m的泥巖、7.89 m的中細粒砂巖，底板巖層依次為平均厚度0.95 m的砂質泥巖和13.19 m的中粗粒細砂巖。

圖1 18505 材料巷留巷段位置示意(m)

2 留巷切頂及支護方案設計

2.1 切縫深度確定

切縫深度是否合理直接關系著卸壓以及采空區填充效果的好壞，正確的切縫深度不僅能滿足卸壓及采空區填充要求，而且經濟合理[3]，采用理論計算使切縫深度滿足空區充填要求，與此同時采用數值模擬，使切縫深度滿足卸壓要求。

1) 理論計算。采空區切落巖層需及時垮落堆積形成新巷幫，理論計算公式為[4]：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(k-1)

(1)

式中：ΔH1為沿空巷道下沉量，m； ΔH2為底鼓量，m；k為碎脹系數，1.3～1.5，泥巖碎脹系數取1.3，砂巖碎脹系數取1.4，18505工作面頂板巖層多為砂巖，因此取1.4；18505工作面采高取4.52 m時，假設ΔH1、ΔH2均為0，計算得H縫=11 m，現場施工之前還需取巖芯，根據頂板巖性變化情況及時修正切縫高度。

2) 數值模擬。針對斜溝煤礦18505工作面生產地質條件，應用FLAC3D數值模擬軟件建立計算模型[5]，模擬工作面開挖尺寸為160 m×50 m×4.5 m，其中含頂板31.34 m，底板14.14 m.網格單元47 460個，節點55 132個。根據工作面附近的地質鉆孔資料，模型自底向頂的巖性及厚度依次為：中粗粒砂巖13.19 m、泥巖0.95 m、煤4.52 m、泥巖1.88 m、中粗粒砂巖8.44 m、泥巖2.88 m、粗粒砂巖0.53 m、泥巖3.56 m、煤1.43 m、砂質泥巖3.19 m、細粒砂巖1.51 m、炭質泥巖0.25 m、煤0.16 m、粗粒砂巖7.56 m.根據礦方提供的8號煤層頂底板巖層物理力學參數研究報告，確定組成巖層的物理力學參數如表1所示。

表1 模型巖層力學參數

模擬研究得到切頂高度為8～14 m時采場應力分布特征，如圖2所示。

圖2 不同切縫深度下垂直應力分布

從圖2可知，切頂高度對卸壓效果具有較顯著的影響。切縫深度為8 m時，沿空巷道煤幫一側應力集中區域的深度約為3 m；切縫深度為10 m時，煤幫內應力集中區域的延伸深度擴展為4.5 m；切縫深度12 m時，應力集中區范圍開始明顯變小，同時與巷幫距離約為4.0 m；當切縫深度為14 m時，應力集中區范圍進一步縮小。以上結果表明，切縫深度越大，實體煤壁內應力集中區域距離巷道表面越遠，當切頂高度為12 m時，應力集中區域距巷幫較遠且影響范圍較小，有利于沿空巷道圍巖的穩定，繼續增大切縫深度對于應力集中情況的改善不明顯，并且切頂高度越大，施工難度越大、裝藥量越多。結合前文理論分析計算結果初步確定切縫深度為11 m.

2.2 切縫角度確定

一般來說，直接頂的強度較低且由于回采影響導致巖石性能進一步弱化，切頂角度對直接頂垮落的影響較小。但當切頂高度范圍內包含基本頂巖層時，如果切頂角度選擇不當，采空區頂板將不能順利垮落，預裂面外側巖塊仍然會與側向頂板接觸并向其施壓，將會導致卸壓不充分，影響相鄰巷道圍巖穩定性[6]。

根據以往的研究可知，隨著工作面持續推進，基本頂達到極限跨距后斷裂成巖塊，破斷的巖塊由于水平擠壓力的作用相互咬合成穩定的砌體梁結構，端頭基本頂破斷成弧形三角塊后，也同樣形成了三鉸拱式的平衡結構。此時，基本頂雖然已經破斷，但相互抑制形成了穩定的砌體結構，仍能向側向煤巖體有效傳遞力的作用，從而影響沿空留巷圍巖的穩定。當采用切頂卸壓無煤柱自成巷工藝時，切縫面成為了關鍵塊A、B的咬合面，當關鍵塊B沿切縫面產生滑落失穩時，才能實現基本頂巖層的順利垮落和應力傳遞路徑的有效切斷。根據砌體梁理論和圍巖結構S-R穩定原理可知，當考慮基本頂巖層的斷裂面與垂直面成一定的角度θ時，巖塊咬合點的受力關系如圖3所示，此時巖塊發生滑落失穩的條件為：

圖3 切頂卸壓關鍵塊受力分析

(2)

式中:T為巖塊所受的水平推力，kN；R為巖塊所受的剪切力，kN；φ為巖塊間的摩擦角，°；θ為切頂角度，°.經計算可知，當煤層厚度H煤≤1 m時，θ=15～20°；當煤層厚度H煤>1 m時，θ=10～15°.綜合上述分析，并結合以往的成功經驗，最終確定切縫深度為11 m，切縫孔布置在距正幫200 mm處，設計切縫角度為15°，切縫孔間距為500 mm.

2.3 恒阻大變形錨索設計方案

為提高留巷期間空巷頂板懸臂梁的穩定性，減小巷道頂板的回轉下沉量，用高預應力恒阻錨索作加強支護，其長度計算公式為:

L≥La+Lb+Lc+Ld

(3)

式中：L為錨索總長度，m；La為錨入堅硬巖層長度，取1.8 m；Lb為頂板不穩定巖層的厚度，考慮切頂爆破時對于巷道頂板穩定性的損傷影響，巷道不穩定頂板巖層的厚度取11 m，故初步確定Lb取11 m；Lc為尾部托盤等構件總厚度，取0.2 m；Ld為錨索張拉所需的外露長度，取0.25 m.計算可得錨索長度L=1.8+11+0.2+0.25=13.25 m.由此可知，頂板錨索長度不應小于13.25 m.錨索長度取 13.3 m.錨索恒阻力為350 kN，原有支護錨索額定載荷為300 kN，已有4根原掘巷階段施工的長錨索，考慮到巷道中的普通錨索、錨桿的支護效應，最終確定恒阻錨索支護密度為3根/排，現場施工時需根據頂板巖性變化實時修正錨索設計參數。

確定18505材料巷圍巖變形的關鍵部位為切縫側，共布設3列恒阻錨索。第1列距采空區側700 mm，排距1 000 mm；第2列距第1列1 500 mm；第3列距第2列1 300 mm，距巷道副幫1 500 mm；第2列和第3列排距為2 000 mm.恒阻錨索支護圖如圖 4(a) 所示。同時，為控制留巷期間非采幫側煤層，增加非采幫側煤層強度，在非采煤幫側補打兩列6.3 m普通錨索，上排與水平夾角45°，排距2 000 mm，距離上幫800 mm，下排補打1列6.3 m普通錨索，水平施工，排距2 000 mm，距上排1 000 mm，與錨桿位置交替施工，如圖 4(b)所示。

圖4 巷道補強支護設計示意(mm)

3 工程實踐效果分析

工作面回采期間將18505材料巷分為以下3個區段進行分類支護：超前支護區(工作面前方30 m)，滯后臨時支護區(按照相似礦井經驗，推薦18505工作面初始按照架后0～200 m進行滯后支護)和成巷穩定區見圖5(a).采用ZYDC19500/26/40型超前支架進行工作面前方超前段的支護，滯后臨時支護區采用門式支架進行支護，間距為1 m.采用兩層鋼筋網與可伸縮U 型鋼進行聯合擋矸支護。可伸縮U型鋼排距500 mm.根據現場觀測，在預裂爆破作用下，采空區頂板巖層基本隨采隨冒，并未出現明顯的懸頂現象，成巷穩定區現場實際情況如圖5(b)所示，整體切頂、留巷支護效果良好。

圖5 礦壓監測結果

4 結 語

以斜溝煤礦18505工作面工程地質條件為基礎，設計采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索”為主體的無煤柱自成巷沿空留巷技術。通過理論分析及數值模擬，計算確定最佳切頂高度為11 m，切縫角度為15°，恒阻大變形錨索最佳長度為13.3 m，恒阻錨索支護密度為3根/m，留巷期間超前支護區采用ZYDC19500/26/40 型超前支架支護，滯后臨時支護區采用門式支架進行支護。根據應用階段巷道采空區側垮落情況及斷面收縮情況可知，所設計切縫高度、角度、恒阻錨索布置參數合理，切頂留巷效果良好。