8501 工作面沿空留巷技術研究及應用

紀鵬偉

（晉能控股煤業集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

1 地質概況

晉華宮礦7-1#煤層整體呈向斜構造，煤層走向東部近東西向，傾向近東，西部近南北向，傾向西部近南，煤層結構簡單。305 盤區8501 工作面為首采工作面，可采走向長度903 m，傾向長度203.8 m，采高3 m，煤層厚1.70～2.95 m，平均2.11 m，煤層傾斜角度為1°～15°，平均7°，局部含有1層矸石，厚度為0.55 m。基本頂是5.38 m 厚的灰色粉砂巖，直接頂是3.18 m厚的深灰色砂質泥巖，直接底是0.52 m 厚的黑灰色砂質泥巖，基本底是1.87 m 厚的灰色細砂巖。工作面順槽沿煤層頂板方向掘進。為了提高礦井煤炭資源回收率，解決采掘不連續問題，在8501 工作面進行切頂卸壓沿空留巷[1-3]。

2 關鍵參數計算

2.1 預裂切頂高度計算

在工作面回采完后，煤層的直接頂會率先出現離層和垮落，失去與沿空留巷的力學聯系，加上基本頂在留巷一側有一段長距離的懸頂，會支撐起整個上覆巖層，使沿空留巷的附加應力增加，造成留巷支護比較困難[4]。通過預裂爆破技術可以有效縮短基本頂的懸臂長度，將整個巖層的斷裂線進行轉移，轉移到采空區一側，緩解巷道的圍巖應力。同時，利用切頂后巖石垮落碎脹，采空區內被垮落的巖石充滿，給上覆巖層產生更好的支撐，從而減緩頂板回轉下沉對沿空留巷造成的影響。切頂高度示意圖如圖1。

圖1 切頂高度示意圖

預裂切頂高度計算公式為：

式中：HQ為預裂切頂高度，m；M為煤層厚度，m；Hi為巖層厚度，m；KP為巖石平均碎脹系數，一般取1.3～1.5。

在切頂范圍內，砂質泥巖的厚度為3.18 m，粉砂巖的厚度為5.38 m，得出泥巖占比為37%，砂巖占比為63%。根據加權平均計算方法，得到頂板垮落巖石碎脹系數為1.34。由于煤層的厚度變化較小，因此在計算時，忽略頂板的下沉量及底鼓量，工作面的采高為3.0 m，可計算出預裂切縫高度為8.8 m。根據計算結果，參考相關理論分析，確定最終的預裂切縫高度為9.0 m。

2.2 切頂角度計算

隨著工作面不斷推進，基本頂達到最大距離后會出現極限斷裂。在水平壓力的作用下，頂板的破碎巖塊相互嚙合，形成穩定的砌體梁結構。同時，在基本頂端頭斷裂處會形成一個弧形的三角塊體，構成一個三鉸拱穩定結構。由于這些穩定的砌體結構，基本頂還可以繼續向煤層巖體傳遞應力，對沿空留巷圍巖的穩定造成影響。在采用切頂卸壓自成巷技術時，斷裂的切縫面會形成一個咬合面，其圍巖結構如圖2。只有當關鍵塊B 沿著切縫面逐漸滑落到失去穩定時，才能確保基本頂徹底垮落，同時傳遞應力路徑被切斷。

圖2 切頂卸壓自成巷圍巖結構

根據實際開采效果分析，當切縫角度較大時，在影響頂板垮落的同時還會影響應力集中分布情況。因此，要選擇合適的切縫角，便于頂板垮落，同時合理分布采場應力。通過理論和實際分析，最終確定最佳切縫角為15°，且在切縫孔間距為500 mm 時，預裂切頂成縫的效果最好。

3 沿空留巷技術方案

通過預裂切頂成縫技術，可以在一定范圍內分隔出工作面頂板和巷道頂板，以此切斷通過巷道頂板傳遞應力的路徑，較好地保留沿空留巷頂板的完整性。在工作面推進過程中，留巷在采動壓力的影響下會出現變形，采用錨索補強支護技術，有效地控制底板下沉，最大限度地發揮巷道圍巖自身的承載壓力，減少巷道圍巖變形，確保沿空留巷的效果。

3.1 錨索補強支護

對巷道頂板采用錨索補強支護方案，將錨索布置在切縫一側，每米補打1～3根錨索。根據工程經驗，結合原有支護形式及相關支護參數，使用直徑21.8 mm、長度12 000 mm 錨索，預緊力20 t 以上。在與頂板垂直方向上共布置3 列錨索，其中第1 列錨索與留巷正幫的間排距為500 mm×1000 mm，第2 列錨索與留巷正幫的間排距為1500 mm×3000 mm，第3 列錨索與留巷副幫的間排距為1500 mm×3000 mm。第1 列錨索與其相鄰錨索之間使用W 型鋼帶連接，W 型鋼帶的尺寸規格為2.4 m×280 mm×4 mm，眼距為1 m，鋼帶與巷道走向平行。切巷正對部分的端錨補強支護約為巷道寬度的三倍，取12 m，排距調整為1 m。錨索補強支護圖如圖3。

圖3 錨索補強支護圖（mm）

3.2 臨時支護

在工作面開采過程中，由于巷道在不同位置受到的采動壓力影響有大有小，隨著工作面不斷推進，頂板會出現垮落。對離工作面距離較小的架后段進行臨時頂板支護和擋矸支護，在離工作面距離較大時，由于受采動壓力的影響較小，頂板逐漸趨于穩定，此時可以撤掉臨時支護，只進行擋矸支護。

根據現場監測結果，將工作面劃分為工作面前0～30 m 的超前支護區段、架后0～200 m 的架后臨時支護區段和架后200 m 后的成巷穩定區段三個區段，根據不同的區段分別采取不同的支護措施。

3.2.1 超前支護區段

超前支護區位于工作面超前采動區，受超前壓力的影響較大，因而需要進行超前加強支護。根據工作面現有支護設備及條件，采用單體液壓支柱+“π”型梁聯合支護方式。其中單體液壓支柱采用一梁四柱的方式垂直于巷道布置，第一排超前單體液壓支柱距離切頂線600 mm，其余的三排超前單體液壓支柱距離正幫的距離分別為1000 mm、1300 mm、1000 mm，每一排單體液壓支柱的排距為1000 mm；π 梁之間的單體液壓支柱通過硬連接裝置連接。由于轉載機在推移過程中會影響中間一排單體液壓支柱，因此，在轉載機推移過程中可以先適當調整中間點柱的位置，待推移作業完成后再將中間點柱調整到指定位置。具體的巷道支護斷面如圖4。

圖4 超前支護區支護斷面設計（mm）

3.2.2 架后臨時支護區段

架后臨時支護區位于工作面超后影響區。由于采空區頂板巖層垮落后，會與巷道頂板產生摩擦，在采動壓力影響下，頂板的壓力較大，因此，對此段巷道頂板進行臨時加強支護。根據工作面現有支護設備及條件，采用單體液壓支柱+“π”型梁聯合支護方式。

在靠近古塘側先架設一排單體支柱，與切縫線的距離為500 mm，排距為500 mm，暫不回收。再采用一梁四柱架設單體支柱，每排布置4 根單體液壓支柱，排距為1000 mm。其中第一排單體液壓支柱與切縫線的距離為1300 mm，其余三根單體液壓支柱與正幫的距離分別為2100 mm、2900 mm 和3900 mm。為了防止矸石混入采空區內，采用單體液壓支柱+可伸縮U 型鋼+鋼筋網的聯合支護方式進行臨時擋矸支護。具體的巷道支護斷面如圖5。

圖5 架后臨時支護斷面設計（mm）

3.2.3 成巷穩定區段

在工作面成巷穩定區，根據礦壓監測結果，當頂底板的位移量和錨索受力逐漸穩定時，認為頂板的狀態相對穩定，此時巷道受采動影響較小，因而可以將頂板支護回撤，只保留擋矸支護，采用可伸縮U 型鋼支護方式。具體的巷道支護斷面如圖6。

圖6 成巷穩定區支護斷面設計（mm）

4 效果分析

在采用切頂卸壓沿空留巷開采技術后，實時監測巷道變形及受力情況。留巷起始位置每間隔50 m布置一個觀測站，共布置19 個觀測站，主要監測錨索補強和單體液壓支柱的受力變形情況。柔性探測單元至少超前工作面100 m。通過監測結果得出，工作面中部的來壓強度最高，其液壓支架承受的最大工作阻力為41.11 MPa；未切縫一側的來壓強度相對中部來壓強度有所降低，液壓支架承受的最大工作阻力為40.07 MPa；切縫一側的來壓強度最小，液壓支架承受的最大工作阻力為35.5 MPa，比未切縫一側約減小12. 8%；切頂沿空留巷技術的卸壓效果較好，可以有效降低來壓強度。

5 結論

（1）根據晉華宮礦8501 工作面的工程地質條件，結合沿空留巷技術原理，確定合理的預裂切頂高度為9.0 m，切頂角度為15°。

（2）對巷道不同分區段進行臨時支護，現場監測結果表明，在采用切頂沿空留巷技術后，切縫一側的來壓強度最小，液壓支架承受的最大工作阻力為35.5 MPa，比未切縫一側約減小12. 8%，切頂沿空留巷技術的卸壓效果較好，可以有效降低來壓強度。