大采高綜采工作面沿空留巷頂板管理技術(shù)應(yīng)用研究

郭壹貴

（山西焦煤山煤國際霍爾辛赫煤業(yè)有限公司，山西 長治 046600）

1 工程概況

霍爾辛赫煤礦3#煤層厚5.2～6.2 m，傾角1°～10°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含泥巖、碳質(zhì)泥巖夾矸1 層，厚度變化不大，變異指數(shù)0.09，屬于穩(wěn)定型煤層，可采指數(shù)100%。進(jìn)風(fēng)順槽長1381 m，切眼長205 m，工作面兩進(jìn)一回Y 型通風(fēng)，進(jìn)風(fēng)順槽為沿空留巷。進(jìn)風(fēng)順槽頂板巖層綜合柱狀如圖1。

圖1 頂板鉆孔巖層綜合柱狀圖

2 切頂卸壓技術(shù)方案

2.1 結(jié)構(gòu)模型

柔模混凝土墻沿空留巷后，隨工作面推采距離的增加，采空區(qū)直接頂上部的主關(guān)鍵層懸頂面積也隨之加大。當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量時，主關(guān)鍵層懸頂有一個垮落過程，對沿空留巷柔模混凝土墻體及巷道有一個滯后壓力顯現(xiàn)的過程，會對沿空留巷巷道造成不同程度的破壞[1-3]。基于該礦地質(zhì)和開采條件，建立了綜采工作面柔模混凝土沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)模型，如圖2。通過該模型可知，造成沿空留巷大變形和臺階下沉的關(guān)鍵點是頂板的主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層。為保證沿空留巷的成巷效果滿足生產(chǎn)需要，需要通過應(yīng)力場的優(yōu)化措施，切斷頂板關(guān)鍵層沿墻體的外端，從而實現(xiàn)切頂卸壓以保護(hù)巷道。

圖2 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)模型圖

2.2 切頂卸壓高度計算

錢鳴高和繆協(xié)興以理論模擬試驗結(jié)合現(xiàn)場實測的方法研究發(fā)現(xiàn)，頂板主關(guān)鍵層來壓壓力會隨著綜放工作面回采長度的增加而增加，這時必須采取相應(yīng)的治理措施，對這一問題進(jìn)行有效的控制；何滿潮經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)實驗研究后，提出了“切頂短壁梁”理論，實現(xiàn)了切頂卸壓自動成巷的無煤柱開采，并闡述了切頂成巷有利于將工作面預(yù)留巷道邊部一定范圍內(nèi)的礦壓減輕，從而降低圍巖控制難度[4-5]。在巷道采空區(qū)一側(cè)的頂板通過預(yù)裂方法，將關(guān)鍵層切斷并下落，自然形成巷幫。若頂板切頂預(yù)裂深度不夠，不能完全切落，就無法取得較好的切頂效果；若預(yù)裂過深，則會增加工作量和工作難度，因此合理的切頂高度非常重要。為使綜采工作面頂板及時垮落后矸石充滿采空區(qū)，充分消除懸頂產(chǎn)生的壓力，則冒落高度MZ可根據(jù)公式（1）計算：

式中：Mz為冒落高度；KA為冒落巖層的碎脹系數(shù)，取1.3；H為割煤高度，取6.0 m；T為頂煤厚度，取0 m；SA為基本頂下位巖梁觸矸處的沉降值，取0.2 m。經(jīng)理論計算得：Mz=19.3 m。

根據(jù)計算頂煤和頂板矸石完全充滿采空區(qū)的冒落高度應(yīng)為19.3 m，但根據(jù)3803 工作面進(jìn)風(fēng)順槽取芯頂板綜合柱狀圖可知：3803 工作面進(jìn)風(fēng)順槽沿頂留底段各層頂板厚度（直接頂5.7 m、老頂8.4 m），分析可知，沿頂留底煤段確定沿空留巷頂板上方垂直高度14.1 m 范圍內(nèi)巖層為主要弱化對象。因此，炮孔長度L可根據(jù)式（2）計算，Mz按14.1 m 取值：

式中：β為炮孔與水平面夾角（炮孔傾角），β=75°。經(jīng)計算得：L=14.6 m，考慮到被爆破的砂巖基本頂需要預(yù)留孔底安全層厚，而且爆破時也需要保護(hù)下面一層的砂質(zhì)泥巖，因此確定炮孔長度為15 m。

2.3 工藝實施

根據(jù)現(xiàn)有科技成果和現(xiàn)場實際經(jīng)驗，從擬爆破位置至停采線前30 m 范圍內(nèi)，關(guān)鍵層破斷后一般形成弧形三角板結(jié)構(gòu)，是沿空留巷的不利荷載，應(yīng)進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂卸壓護(hù)巷。但是在斷層及圍巖破碎帶、陷落柱、頂板淋水區(qū)、瓦斯異常區(qū)等復(fù)雜地段及其前后各12 m 范圍內(nèi)（不小于2 倍的巷道跨度）嚴(yán)禁爆破作業(yè)。

切頂卸壓施工過程：在巷道回采側(cè)肩角處掛線確定鉆孔位置，利用多功能坡度測量儀確定鉆孔傾角，用雙臂切頂鉆機打設(shè)鉆孔，鉆孔直徑為55 mm，炮孔與水平面夾角（炮孔傾角）75°，炮孔間距1 m，炮孔長度15 m，聚能管裝藥總長度10 m，炮泥封孔長度5 m，采用孔底不耦合連續(xù)裝藥，聚能藥包（由橢圓形聚能管、乳化炸藥、導(dǎo)爆索、連接件等四部分組成）定向斷裂爆破，超前100 m 外進(jìn)行爆破作業(yè)，超前工作面0～50 m 進(jìn)行巷內(nèi)臨時加強支護(hù)。爆破前將礦用乳化炸藥裝入聚能管內(nèi)，聚能管間則采用專用連接件連接，使用螺絲固定。單節(jié)聚能管長度2 m，每節(jié)聚能管內(nèi)安裝1 個Φ55 mm 鉆孔用定位塊，以確保聚能爆破與預(yù)裂方向一致。爆破時采用導(dǎo)爆索多點起爆聚能藥包，單次最多起爆12 個炮孔，每3 個炮孔為一組，共4 組。

3 加強支護(hù)方案

3.1 超前支護(hù)

在超前工作面50 m 的范圍內(nèi)利用液壓單體支柱配合π 型鋼梁打設(shè)臨時加強支護(hù)。靠回采側(cè)2.8 m 范圍內(nèi)沿巷道傾向布置，采用一梁兩柱臨時支護(hù)，π 型鋼梁2 m，排距0.8 m，垂直頂板打設(shè)；靠煤柱幫3.2 m 范圍內(nèi)沿巷道走向布置，采用一梁四柱臨時支護(hù)，π 型鋼梁長3.6 m，距煤幫分別為0.8 m、2.4 m、3.2 m。單體柱間距0.8 m，臨時單體支柱初撐力不低于18 MPa。

巷道總寬6 m，留巷寬4.2 m，頂板錨索補強后形成5-5-5 布置形式。頂板 2-2-2 布置基本支護(hù)中，見2 補3 形成5，原支護(hù)錨索靠近回采側(cè)這一排補強時，在距回采側(cè)0.3 m、2.4 m、5.2 m 處分別打設(shè)三根單點錨索。原支護(hù)錨索靠近煤柱幫這一排補強時，在距回采幫0.6 m、1.8 m、3.6 m 處打設(shè)三根錨索，其中靠近回采側(cè)兩根錨索通過W 型鋼帶連接。補強支護(hù)如圖3。

圖3 補強支護(hù)圖（mm）

3.2 底部加固

進(jìn)風(fēng)順槽采用沿頂留底煤方式掘進(jìn)，結(jié)合工作面地質(zhì)條件，用液壓鉆挖機在巷道底板挖槽，然后采用植筋配合澆筑混凝土方式來加固底板，使得墻體坐落在堅硬且穩(wěn)定的混凝土底板上，以保證墻體的穩(wěn)定性。基槽尺寸：深度1.5 m，寬度2.0 m。使用Φ22 mm×1500 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套兩支規(guī)格為MSZ2360 的樹脂錨固劑，植筋外露基槽底部0.6 m，深入底板巖層0.6 m，間排距1.2 m×1.0 m，第一根植筋距采空區(qū)側(cè)基槽幫0.4 m，第二根植筋距采空區(qū)側(cè)基槽幫1600 mm。柔模基礎(chǔ)如圖4。

圖4 柔模基礎(chǔ)圖（mm）

3.3 滯后支護(hù)

沿巷道走向方向，利用單體支柱加π 型鋼梁打設(shè)臨時加強支護(hù)，滯后工作面250 m。在工作面推進(jìn)過程中，每推一刀，撤掉回采側(cè)一排臨時支護(hù)，移至工作面第一架后方的待澆筑空間內(nèi)。煤幫側(cè)超前打設(shè)的三排一梁四柱保持不變，一是減少單體柱反復(fù)支撐頂板次數(shù)，避免破壞頂板完整，二是可以減少單體柱打設(shè)工作量。待柔模澆筑完成24 h 后，將掛模單體回撤，配合π 型鋼梁打設(shè)在靠墻體0.2 m 范圍，滯后臨時支護(hù)形成四排一梁四柱。在超前打設(shè)一梁四柱時，靠煤柱幫第一根單體柱（距煤幫0.8 m）向采空區(qū)側(cè)傾斜3°，第二根（距煤幫2.4 m）、第三根（距煤幫3.2 m）及靠墻0.2 m 的第四排臨時支護(hù)打設(shè)時向煤柱幫傾斜 3°，臨時單體支柱初撐力不低于18 MPa。臨時加強支護(hù)斷面如圖5，臨時加強支護(hù)平面如圖6。

圖5 臨時加強支護(hù)斷面（mm）

4 效果分析

為分析切頂卸壓、錨索單體柱補強支護(hù)及柔模底部加固綜合措施后的沿空留巷效果，在3803 進(jìn)風(fēng)順槽分段布置礦壓監(jiān)測測站，監(jiān)測巷道兩幫及頂?shù)装逑鄬ξ灰屏浚灰屏客ㄟ^布設(shè)十字監(jiān)測點進(jìn)行測定，從而評價綜合措施對沿空留巷的效果。由圍巖移近量變化曲線（圖7）可知：在工作面推過測點220 m 后，未采取措施段區(qū)段兩幫的累計變形量為335 mm，頂?shù)装宓睦塾嬜冃瘟繛?85 mm，并且仍呈逐漸遞增狀態(tài)，圍巖移近量頂?shù)装濉蓭妥冃瘟枯^大；采取綜合措施段頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰屏糠謩e為305 mm、455 mm 并在推進(jìn)220 m 后開始趨于穩(wěn)定。通過采取綜合措施后，3803 工作面進(jìn)風(fēng)順槽沿空留巷整體穩(wěn)定性好，支護(hù)效果良好，能夠滿足相鄰工作面回采使用。

圖7 圍巖移近量變化曲線圖

5 結(jié)語

1）針對大采高綜采工作面，采用聚能管定向斷裂爆破切頂卸壓沿空留巷工藝方案，通過對頂?shù)装逡平康谋O(jiān)測，該切頂卸壓沿空留巷工藝方案可以有效切斷基本頂，提高巷道自身的承載力，有效控制巷道圍巖的變形量，留巷效果良好。

2）進(jìn)風(fēng)順槽內(nèi)設(shè)計了支護(hù)加固方案，通過錨索+單體柱+鋼梁的超前與滯后支護(hù)，有效控制了巷道頂板的變化，同時柔模墻底部進(jìn)行加固，沿空留巷柔模墻穩(wěn)定性提高，為后期巷道的復(fù)用提供良好基礎(chǔ)。

3）通過采取綜合措施沿空留巷巷道能夠滿足相鄰工作面回采，解決了采掘接替緊張的難題，滿足安全生產(chǎn)需要，提高了煤礦生產(chǎn)效率。