薄煤层采空区内切眼原位留巷技术研究

2012-09-09冯瑞云

采矿与岩层控制工程学报 2012年4期

关键词：木柱原位泥岩

冯瑞云

(山西潞安集团左权五里堠煤业有限公司，山西晋中032600)

薄煤层采空区内切眼原位留巷技术研究

冯瑞云

(山西潞安集团左权五里堠煤业有限公司，山西晋中032600)

Roadway Retaining Technology at Open-off Cut Gob in Thin Coal-seam

采空区内切眼原位留巷因其断面较大、受动压影响无周期性而不同于传统留巷。五里堠煤业采用双“U”通风，切眼留巷的方案为:掘进时高预应力一次支护，保持顶板完整性;工作面回采后进行木柱和料石墙巷旁支护;最后进行爆破切顶，减小应力集中。井下试验表明，留巷过程中切眼经受强烈动压影响，顶板下沉450mm，外帮移近300mm，围岩完整性较好，留巷取得成功。

薄煤层;切眼留巷;一次支护;巷旁支护;爆破切顶

沿空留巷技术主要目的是解决高瓦斯矿井的通风问题，但由于其具有提高煤炭采出率、降低掘进率等优点，受到越来越多的重视。留巷方法和技术也逐步趋于多样化和快捷化［1－2］。

传统沿空留巷技术特点为:在滞后工作面一定距离的采空区靠巷道一侧进行高水材料等充填形成条带，充填带成为承载主体。沿空留巷的围岩变形是工作面回采超前及滞后支承压力和沿倾向支承压力的叠加所致，主要压力来自工作面推进引起的顶板破断、失稳、沉降，巷道变形与工作面来压同步［3］。

五里堠煤业为实现两进两回通风，且由于采掘衔接紧张，只能考虑切眼原位留巷的方式实现。

现阶段比较常见的留巷方式为沿采空区留巷，主要为多次服务的工作面巷道。经搜索，发现关于切眼原位留巷方面的文献非常少见。切眼留巷的特点与巷道留巷有一定的不同:首先，切眼所受的动压影响不是周期性的，而是有一个集中影响的过程，待工作面远离切眼一定距离后，工作面的周期性来压对切眼的稳定性影响很小;其次，切眼的断面相对巷道较大，受动压影响后，影响因素较多，稳定性更加不可控。

1 五里堠煤业地质条件及留巷特点

采空区内切眼原位留巷技术难度较大。首先，必须保证工作面回采后顶板不垮落，这取决于对切眼顶板采取合理加固措施，才能确保顶板不垮;其次，工作面回采后，矿压显现骤增，顶板岩层将整体沉降，顶板的下沉将很难控制。只有采用有效的巷旁支护方式，具有较强的承载能力，才能保证留巷的空间［4］。

近几年，我国煤矿锚杆支护技术发展非常快，高强度锚杆、锚索等支护材料，高预应力、强力支护技术的出现，为各种类型巷道提供了有效的支护方法。高预应力、强力支护技术的最大特点是注重预应力及其扩散效果，能够充分发挥围岩的自承能力，最大限度地保持锚固区围岩的完整性［5］。因此，高强锚杆、锚索支护为采空区内切眼原位留巷创造了良好条件。

五里堠煤业公司为高瓦斯矿井，为实现两进两回通风，计划采用采空区内切眼原位留巷的方式实现，该方法的主要特点是:不用留设传统一切及二切之间的宽煤柱，提高资源采出率;不用专门掘进外切眼，相应的外围巷道掘进量也减少，大大减小了掘进量。

切眼留巷的030103工作面开采的3号煤层厚度约1.13m，位于山西组下部，属结构简单、稳定可采煤层。基本顶为砂岩、砂质泥岩、泥岩及炭质泥岩，厚12.74～27.54m，砂岩灰白色－黑灰色，细－中粒，厚层状，成分以石英、长石为主，含暗色矿物，层理面含炭质薄膜及炭化物，夹煤线，泥质、钙质、硅质胶结，致密、坚硬、磨圆度中等，分选性差，微波状层理发育;砂质泥岩为深灰色、黑色，夹炭质泥岩层，水平层理，含植物化石;炭质泥岩为深灰色，含植物化石。直接顶为砂质泥岩，泥岩及灰质泥岩，厚2.17～15.19m，泥岩、砂质泥岩和灰质泥岩均为深灰色，含植物化石;砂岩灰白色－灰黑色，厚层状，细－中粒，含长石和暗色矿物，钙质和泥质胶结，分选性差，磨圆度中等，层理面含大量炭粒，斜层理发育，具有黑色条纹和泥质条带。伪顶为砂质泥岩，厚0.2～0.5m，灰黑色，密、性脆，含植物化石。底板为泥岩、砂质泥岩及砂岩，厚2.5～6m，砂岩灰白色－黑灰色，细－中粒，石英、长石砂岩，含暗色矿物，分选性和磨圆度好;砂质泥岩为灰黑色，密、性脆，破碎呈棱角状;泥岩为黑灰色，含植物化石。

030103工作面实际埋深约230m，根据地质力学测试结果，顶板以砂岩、砂质泥岩和泥岩为主，围岩单轴抗压强度整体分布较均匀，顶板以上10m范围内平均单轴抗压强度为35.12MPa。煤帮钻孔10m范围内岩体平均单轴抗压强度为7.09MPa;垂直主应力、最大水平主应力、最小水平主应力分别为5.73 MPa，11.18 MPa和5.98 MPa，最大水平主应力方向为N22.11°W，为典型的构造型应力场。030103工作面走向为南北向，顶底板稳定性受水平应力影响较大。

030103工作面切眼长151.5m，断面宽×高为6m×1.8m，沿煤层底板掘进，挑顶0.6～0.7m。经测算通风能力并考虑围岩的大变形，切眼留巷宽度达到3.8m即可满足要求。

2 五里堠煤业原位切眼留巷方案

五里堠煤业属于高瓦斯矿井，为有效解决030103综采工作面回采过程中瓦斯易超限的问题，决定采用两进两回双“U”通风方式，如图1所示。因此，工作面开切眼必须在工作面开始推进后原位留巷。

图1 030103工作面双“U”通风

切眼留巷的总体方案为:首先，切眼初次开挖时采取高预应力一次支护，以最大限度地保持切眼围岩的完整和稳定性;再次，工作面开始推进后，采取巷旁料石砌墙支护，实现强支撑;最后，待工作面推进至留巷外区域后进行爆破切顶作业，减小压力集中对切眼的影响，并在必要时对切眼进行锚索支护补强。

2.1 巷内高强锚杆锚索一次支护

掘进及开始回采前保证围岩的完整性和稳定性是沿空留巷的重要前提，只有围岩能保持一定的完整和稳定才能继续留巷。如果在工作面回采前围岩就出现松散、坠包等现象，留巷过程中可能会出现较大的顶板垮落。高预应力一次支护不但大大改善围岩的受力状态，更能控制锚固区内围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形与破坏，最大限度地保持锚固区围岩的完整性。

因此，切眼掘进时采用高预应力一次支护，主要支护方案为:顶板采用20mm－M22－2400mm左旋螺纹钢锚杆，树脂加长锚固，配合高强度拱形托板和钢筋托梁，间排距为850mm×900mm，预紧扭矩不低于300N·m，锚索材料为18.9mm，1!7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度7300mm，迈步式布置，锚索间距1000mm，排距1800mm，采用2400mm长的 12号槽钢为托梁，配合使用100mm×90mm×10mm的平板锚索垫片，预紧力不低于200kN;采空区帮锚杆规格为20mm－M22－2000mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，配合高强度拱形托板和钢筋托梁，间排距为900mm×900mm，预紧扭矩不低于300N·m，工作面帮使用 18mm－1800mm玻璃钢锚杆，配合木托板，间排距为900mm×900mm。顶板支护见图2所示。

图2 030103切眼顶板锚杆支护布置

2.2 巷旁加强支护

巷旁加强支护是沿空留巷的关键，合理的巷旁支护应适应顶板岩层移动的特征，既要有较大的变形量，又要有较大的后期承载能力。因此，采用巷旁木柱加砌墙支护的方式，即工作面开始回采后，首先打设两排木柱，然后在木柱中间砌筑料石墙。木柱的支护除了起到一定的切顶作用外，主要是能适应早期顶板的大变形，待变形开始趋于稳定时，料石墙永久支护能产生较大的承载能力。主要流程及参数为:

(1)030103工作面开始回采后，工作面推进1.8m和5.4m后，分别在工作面切眼打设1排圆松木柱进行支护，木柱间距900mm。支护圆木打设要迎山有力，穿鞋戴帽，打正打直。木柱要打设成一条直线，木柱要与顶网相连。支护木柱规格:圆松木180mm×1800mm。

(2)工作面推进5.4m打设完成第2排支护柱后，进行料石永久支护，支护厚度保证1.2m。每隔4m在料石墙顶部留瓦斯抽放软管孔。料石墙永久支护规格:1.8m(高)×1.2m(宽)×150m (长)。料石墙间隔3m加筑400mm宽料石承重墙。承重墙料石墙中部 (承重墙除外)填注200mm厚的黄土夹层。料石规格:300mm(长)×200mm (宽)×200mm(高)。水泥型号42.5R，砂浆为二区中砂，比例为1∶3。料石墙砌筑完成后，为防止采空区瓦斯溢出，应对料石墙进行喷涂，喷涂材料为代混凝土树脂。

切眼留巷示意图见图3，料石墙砌筑剖面示意图见图4。

图3 030103切眼留巷

图4 料石墙砌筑剖面

2.3 强制爆破切顶

顶板岩层的悬空、断裂、垮落等，直接关系到顶板岩层中积聚弹性能的释放和向煤岩体传递应力和弹性能的能力，甚至关系到煤岩体是否会受到强烈动压的影响。动压的作用将会加剧矿压显现，围岩的破坏会更加剧烈。解决顶板悬顶最有效的方法就是爆破断顶，减少悬顶面积，降低和均化应力集中［6］。通过在料石墙巷旁支护外按一定间距向工作面推进方向顶板钻孔进行爆破，人为地切断顶板，促使采空区顶板规则性冒落，控制或削弱顶板来压强度和冲击破坏性。

030103综采工作面回采后，为使采空区顶板及时垮落，减小岩层压力的持续积聚以及对切眼稳定性和变形的影响，确保切眼沿空留巷不被破坏及回采工作的正常进行，采用拉槽式人工强制放顶方式对030103综采工作面采空区进行初次放顶。工作面顶板完好处每隔2组支架打1个炮眼，顶板破碎处根据实际情况布置炮眼。单眼装药量为800g。炮眼直径32mm，深度1800mm。炮眼与顶板成60°角打设，倾向于支架一侧。炮眼与切顶柱距离500mm。炮眼布置平面图见图5，剖面图见图6。

图5 切顶爆破炮眼布置平面

图6 切顶爆破炮眼剖面

3 井下试验及效果验证

以上整体方案在030103工作面进行了试验，试验效果良好，在切眼中布置表面位移观测站，以捕捉切眼表面在留巷过程中的变化量，变形量如图7所示。

图7 切眼表面位移

矿压监测表明工作面开始回采后，随着岩层压力的逐渐积聚，切眼变形逐渐变大，但在进行砌墙和爆破切顶后切眼围岩变形速度减缓，变形趋于稳定，最终的顶板下沉量近450mm，外帮最大移近量近300mm。总体看，切眼变形得到了很好地控制，由于高预应力支护技术的应用，切眼围岩没有出现大的离层、坠包、松散、垮落现象，整体稳定性较好。