沿空留巷超前切頂加固技術及支護參數優化研究

辜志強，胡俊霞

(四川省煤炭設計研究院，成都 610000)

某礦3124N采煤工作面煤層總厚0.84～3.06 m，平均1.48 m，屬于龍潭組一段中部。純煤總厚0.78～2.96 m，平均1.39 m，普遍為1.21～1.60 m。通過鉆孔取樣可知，薄煤層在可采見煤點中占比29.1%，主要分布于工作面南側區域。煤層夾矸數量1～2層，矸石巖性一般為泥巖、砂質泥巖，厚度0.06～0.14 m。該區域地層受背斜影響，煤層有一定的傾斜角度，且分布規律明顯，傾斜角度在6°～12°，平均角度為8°。煤層頂板復合特點顯著，且巖層組合變化大，導致巷道支護設計難度大。

1 超前切頂沿空留巷技術

超前切頂是一種沿空留巷的新技術，利用深孔預裂爆破，將巷道上方頂板與采空區頂板切出裂縫，改變頂板巖層力學結構，減少采空區來壓對巷道頂板所施加的壓力，避免預留巷道被來壓破壞[1]。此技術主要由采掘面向前推進、預裂頂板和抬棚護巷3部分組成[2]。

采煤作業面向前推進過程中，上部地層由于失去原有的下部煤層和液壓支架的承托而下沉，直接頂垮落，基本頂隨之下沉，巷道上部巖層主要發生回轉變形，對巷道影響很大[3]。一般來說，巷旁支護體很難阻止老頂的旋轉壓力。通過超前切頂，將沿空留巷上部的頂板與后方采空區的頂板切開，這樣在后方垮落時所受影響較小，可保證沿空留巷的完整。

超前切頂是在采掘面旁側方向上的回風/運輸巷道內，預先對頂板進行鉆孔和爆破，通過爆破在沿巷道的方向上形成一條裂縫[4]。在采掘面逐步前移過程中，已采區域的上覆巖層失去下部支撐而向下垮落，裂縫處頂板整齊下落形成巷道側幫，稱為切頂柱。超前切頂通過爆破切割頂板避免了采空區垮落對巷道方向的破壞，實現了對巷道的保護[5]。

巷道兩側分別為待采的煤層和采空區頂板垮落形成的切頂柱。按照頂板的破壞周期，巖體A和塊體C都會受應力作用而壓縮變形，塊體B靠采空區一側較低，靠待采區一側較高，回轉位移，形成弧形三角塊結構，如圖1所示。

圖1 弧形三角塊結構模型剖面圖Fig.1 Section view of arc triangular block structure model

對于長度超過160 m的長壁工作面，回采過程中，沿空留巷頂板區域懸頂結構跨度與周期來壓步距是基本相等的。懸頂結構厚度越大，可保持自穩的側向長度越大，其整體結構所承擔的綜合載荷越大，留巷周邊圍巖偏應力程度也越大，因此可對沿空留巷區域頂板進行爆破、強力支護、定向爆破，做好超前預裂，使頂板沿預定方向產生斷裂，使得沿空留巷周邊圍巖應力有利于頂板穩定，避免巷道受采空區的影響而被破壞[6]。

2 超前切頂數值模擬

以該礦工作面實際地質條件為依據建立數值模型，數值模型長度×寬度×高度=300 m×150 m×30 m。除上部頂板以外，在模型的各方向界面上施加約束，巷道平均埋深400 m，巷高2.3 m，巷寬4 m，采用錨網索支護，上覆巖層的原始重力荷載設置為σz=γH=10.0 MPa，原始橫向荷載設置為σx=σy=12.0 MPa，采用摩爾-庫侖本構準則。在巷道靠工作面側頂角打切頂鉆孔，預裂孔眼深為8 m，傾角為5°，直徑50 mm。

為與現場實際相符，計算模型進行巷道支護并留設充填體，對綜采工作面進行開挖。對綜采工作面切頂與未切頂兩種情況進行對比分析，模擬兩種條件下的沿空留巷周邊應力環境，如圖2所示。

圖2 切頂與未切頂工作面巷道圍巖應力分布對比圖Fig.2 Comparison of surrounding rock stress distribution in roadway with and without roof cutting face

由圖2可知，工作面開挖結束后，切頂后的綜采工作面回采巷道圍巖應力較低。開挖后的采空區頂板沿著切頂線斷裂開始下沉，巷道上方頂板在采空區側跨度較小，上覆巖層對頂板的壓力也較小，巷道頂板只發生輕微的回轉變形，巷道煤壁側煤體所受的應力較小，在巷道煤壁側煤體內部2.5 m處出現垂直應力集中現象，最大垂直應力為16 MPa，在巷道底板出現最大水平應力為12 MPa。工作面開挖結束后，未切頂的綜采工作面回采巷道圍巖應力相對較高，工作面開挖后頂板下沉，巷道頂板發生劇烈的回轉變形，在3.5 m處應力集中，最大水平應力為60 MPa，巷道煤壁側煤體內部1.8 m處出現最大垂直應力為28 MPa。

3 沿空留巷超前切頂加固技術及其應用

3.1 超前加固支護

沿空留巷選用抬棚形式進行支護，兩根單體支柱與一根工字鋼相組合，支柱選用DW35-250/100X型號，鋼梁選用11號工字鋼，長度3.8 m。鋼梁垂直工作面走向均勻布置，每0.8 m布置1根鋼梁，共布置25根，單體要求垂直布置，支架頂梁要求與頂板平行，角度偏差小于8°。

3.2 切頂長錨索超前支設

預切頂錨索超前工作面煤壁50 m進行施工，采用錨索+14#槽鋼+“W”鋼帶加強支護，錨索距回采面煤壁西幫500 mm，錨索長度9.2 m，采用3條ck2370樹脂錨固劑錨固錨索，錨固長度2.1 m，單排布置，間距1.6 m，錨索錨固力不小于12 t。

3.3 鉆孔布置

鉆孔位置布設于巷道頂板距離采空區側0.2 m處，預裂孔的孔徑為50 mm，孔距為0.5 m，眼深為5～8 m(施工至K2煤層以上1 m)，鉆孔位于同一條直線上，鉆孔傾斜向上，與垂直面成15°指向采空區。

預裂鉆孔的裝藥選用乳化炸藥和毫秒微差電雷管。通過計算得到單個炮孔內需要放置炸藥0.9～1.8 kg。爆破方式選用分段爆破，按照工作面推進速度確定單次起爆范圍小于5 m。裝藥方式選用軸向耦合裝藥，為加強切縫的作用，選用管體兩側開有聚能孔的PVC管，尺寸要求為外徑Φ40 mm，內徑Φ36 mm，管長2.0 m，聚能孔直徑為5 mm，孔距為20 mm，指向切縫方向。要求管體強度符合要求，不會被爆破炸損而影響切縫效果。

3.4 支護效果分析

隨著沿空留巷工作的不斷推進，采用監測設備對沿空留巷頂板進行深部位移監測，對頂板的2 m和8 m兩個高度處分別進行監測，得到不同層位的沉降特點。巷道成型48 h內在頂板上安裝監測設備，監測共布置4組測站，每組測站相隔20～30 m。不同測站的位移監測數據如圖3所示。

圖3 各測站位移量變化數據Fig.3 Displacement change data of each measuring station

從圖中可知，觀測期間，0～2 m圍巖位移量為25～43 mm，2～8 m圍巖位移量為48～63 mm，沿空留巷整體穩定性較好。從位移量隨時間的變化來看，監測初期位移增長速度較快，35 d以后位移量變化較小，說明頂板逐漸穩定，錨索支護效果較好，經測試，95%以上符合要求，工作效率增加了10%～38%。

4 結語

智能化綜采3124S工作面回采巷道頂板復合特點顯著，且巖層組合變化大，采用沿空留巷超前切頂加固技術并對支護參數優化后，上覆巖層位移量為30～60 mm，下沉大多出現在0～2 m的下部巖層，沿空留巷整體穩定性較好。從位移量隨時間的變化來看，監測初期位移增長速度較快，35 d以后位移量變化較小，說明頂板逐漸穩定，切頂長錨索錨固力合格率超過95%，沿空留巷進度提升了10%～38%，大幅提高了留巷效率，滿足了智能化快速推進的需要。