软弱顶底板煤层无巷旁充填沿空留巷技术研究与应用

摘要：针对百色煤田具体工程地质条件，根据沿空留巷巷道围岩的受力特点，提出了煤矿软弱顶、底板条件下的无巷旁充填沿空留巷技术方法，设计和应用了“锚杆+H型钢带+锚索+菱形金属网”与“半梁单柱锚棚支护结构”，为提高煤炭资源的回收率，延长矿井服务年限探索了有效的方法。

关键词：软岩 无巷旁充填 沿空留巷

1、引言

沿空留巷技术具有可有效降低巷道掘进量、大幅度减少煤柱留设、快速降低生产成本及增加生产连续性等显著优点，成为了各大矿区提高资源采出率的重要技术手段。在煤炭资源相对匮乏的南方煤矿提高煤炭回采率更是具有十分重要的意义。国内外学者主要在留巷位置上覆岩层移动规律、巷旁工作阻力、巷内支护及巷旁支护等方面进行了较为深入的研究，取得了诸多成果。

作者根据百色矿区实际情况，针对沿空巷道复杂应力环境，系统地研究了爆破预裂切顶技术，提出了综采工作面切顶沿空留巷技术，采用了“锚杆+H型钢带+锚索+菱形金属网”与“半梁单柱锚棚支护结构”的支护形式，实现了以预应力长锚索为二次支护型式的综合控制技术，改善了沿空巷道的围岩应力环境。

2、程概况

百色百矿集团有限公司东怀煤矿25D04工作面是五采区D煤第四个采煤工作面，工作面位于二水平南侧，东至工作面25D05采空区，西至25D03未采工作面，南至F4断层，北至五采区三条下山由南向北依次D煤层皮带下山、C煤层行人下山、D煤层轨道下山。煤层约1.6～2.0米，结构复杂，中上部夹一层炭质泥岩或泥岩，厚约1米左右。煤层走向NE20---NW70°，倾向NE，倾角6-13°，平均为9°。工作面倾斜长度为150米，走向长度为1180米。巷道布置如图1所示：

煤层顶板及伪顶易脱落，直接底遇水变软，顶底板情况见表1。

3、沿空留巷顶板活动规律及以往沿空留巷方法

3.1 前人对沿空留巷顶板活动规律的研究

钱鸣高等[1]提出了采场上覆岩层的“砌体梁”结构力学模型、“关键层”理论等，详细阐述了覆岩中的厚硬岩层所承受的载荷及变形破坏规律。宋振骐[2]提出了“传递岩梁”力学模型，认为破断岩梁始终能向煤壁前方及采空区矸石传递作用力，支架与岩梁间的相互作用存在“给定变形”和“限定变形”2种工作方式。

孙恒虎等[3]通过相似材料模拟试验探究了沿空留巷围岩活动的前期和后期规律，提出了前期支护以“顶”为主、后期支护以“让”为主的围岩控制理念。

3.2 以往采用的沿空留巷方法及存在的问题

巷内支护技术：金属棚架支护或木棚被动支护。该种支护较为被动，支护强度低，所需材料较多，支护体破坏较严重，后期维护工作量较大。而单纯的锚杆支护无法控制顶板冒落区矸石窜入巷道内。使用顺巷道方向的纵向棚架时，由于软弱顶板沿棚架切顶后需保留的顶板容易风化破碎，导致支护体失去支撑点而支护失效。

巷旁支护技术：采用木垛、密集支柱、矸石带、人造砌块、高水速凝材料、膏体材料等材料沿需留巷旁侧构筑支护体，达到切断不需支护的顶板、支撑留巷顶板、隔离采空区碎石，从而保留需使用的巷道。该支护方式基本也是被动支护，虽然可获得较大的支撑力，但工艺较复杂，成本高，工效低，往往赶不上综合采煤的速度。

4、无巷旁充填沿空留巷技术方法

4.1 技术原理及要求

本技术针对沿空留巷顶板活动规律，一方面要尽量减小老顶对留巷顶板的压力；另一方面，要使支护体有足够的初撑力对顶板进行主动支护，维护顶板的完整性；第三方面，要有一定的让压，从而发挥顶板和边帮煤体自身的支撑力；第四方面，还要对冒落区矸石有效隔阻，保存留巷足够的使用空间。

4.2爆破预裂切顶技术

爆破预裂切顶卸压目的是顶板老顶来压之前尽可能充填满巷道采空区和切断巷道顶板与采空区顶板的联系，避免采空区顶板老顶来压时出现强力冲击和顶板扭曲变形下沉联动破坏留巷顶板。切顶卸压沿空留巷力学机理是通过预裂爆破后的预裂弱面改变了沿空巷道上覆悬伸顶板岩体的结构，引起岩层移动规律发生相应的改变；在采场顶板周期来压作用下，悬伸岩层在上覆压力挤压下沿预裂面切落，极大消散了沿空巷道围岩的应力集中程度，应力集中向巷道围岩深部转移，改善了沿空巷道的围岩应力环境，减小了巷内支护的受力及巷旁支护的阻力和应力集中程度，最终提高了沿空巷道的稳定性。根据煤层地质条件，在轨道巷下帮边缘布置炮眼，炮眼长度按4.0m和2.5m间距0.5m交替布置，4.0m炮眼使用400g炸药，2.5m炮眼使用300g炸药，切顶超前工作面至少20米以保证切顶效果。

4.3 以预应力长锚索锚杆与“半梁单柱锚棚支护结构”为二次支护型式的综合控制技术

沿空巷道内顶板的完整性是沿空留巷成功的重要前提。在锚网支护的基础上，结合锚索进行支护。锚网支护克服松动岩体的自重，强化锚固范围内岩层承载能力，阻止围岩的进一步松动，消除围岩松散变形，提高支护能效；而锚索可以充分利用深部围岩的強度和稳定性，增大锚固范围，削弱顶板的剪切破坏作用，防止巷道顶板断裂、冒落。在具体应用中，采用了“锚杆+H型钢带+锚索+菱形金属网”与“半梁单柱锚棚支护结构”的支护形式支护形式，实现了以预应力长锚索为二次支护型式的综合控制技术，达到了改善沿空巷道的围岩应力环境的效果。具体支护断见图2所示。

“锚杆+H型钢带+锚索+菱形金属网”与“半梁单柱锚棚支护结构”有机地结合，对沿空留巷悬臂顶板进行护顶，以两节U型钢通过夹箍连接做柱腿，既有一定的让压作用，也加强了对悬顶的支的作用，同时单腿对采空区侧冒落顶板破碎岩块进行阻挡，防止岩块窜到留巷空间。横向布置的顶梁增加支护体对保留顶板的支护面积，避免了软弱顶板留顶边缘破碎导致其下部支撑体失去支撑点的现象；以顶板锚杆固定顶梁的一端，有效控制了顶板与支护体的横向相对位移，解决了软弱顶板条件下沿空留巷悬臂顶梁的稳定性问题。

5、无巷旁充填沿空留巷技术方法的应用效果

5.1 沿空留巷断面尺寸效果

巷道顶板最大下沉量70mm，个别地段巷道水引起底鼓出现顶底板移近量大，采取降底工作即可。两帮平均移近量50mm。断面平均收缩率9.7%，从汇总结果可以看出巷道表面变形量小，沿空留巷获得成功。工作面后方20m范围内，采空区侧有单体柱支护，所以顶底板和两帮移近量小，变化平缓；在工作面后方20～60m范围内受到工作面周期来压的影响，围岩活动剧烈，顶底板两帮移近量逐渐增大，移近速度较快，在45m处达到最大。在工作面60～100m范围内，围岩活动减轻，尽管顶底依然增加但速度很小；在工作面100m以后，围岩稳定，变形也很稳定。

5.2 沿空留巷经济效益

东怀煤矿25D04工作面首次采用了工作面切顶沿空留巷开采技术，减少的煤柱损失，提高了矿井的煤炭回收率，之前每个工作面间距要留30～40m保护煤柱。现可全部回收，回收率提高17%左右，同时也可延长了矿井的服务年限。符合现行资源节约型能源政策，达到了国内领先水平；相比于普通综掘巷道，工作面切顶沿空留巷开采技术减少了巷道开掘工作量，每米减少企业支出14296.9元，仅25D04沿空留巷一条巷道就为企业节支1530万元，产生了巨大的经济效益。

5.3 无巷旁充填沿空留巷推廣应用情况

目前，该无巷旁充填沿空留巷技术开采方式已经在东怀煤矿和那荷煤矿全面推广，累计产生经济效益2300万元以上。同时，无巷旁充填沿空留巷技术开采方式的成功应用，为回采工作面实现Y型通风方式，有效解决回采工作面高温、瓦斯异常的安全问题提供了有力保障。从而使矿井实现了高产高效绿色开采和科学产能的理念。

6、结论

⑴使用爆破预裂切顶卸压技术，使顶板的应力集中向巷道围岩（煤体）深部转移，改善了沿空巷道的围岩应力环境，提高了沿空巷道顶板的稳定性。

⑵采用了“锚杆+H型钢带+锚索+菱形金属网”与“半梁单柱锚棚支护结构”的支护形式支护形式的综合控制技术，达到了改善沿空巷道的围岩应力环境、保护留巷顶板完整性的效果。

参考文献

[1]钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报，1996，21（3） ： 225-230.

[2]宋振骐.实用矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1988.

[3]孙恒虎，吴健，邱运新.沿空留巷的矿压规律及岩层控制[J].煤炭学报，1992，17（1） ： 15-23.

作者简介

王翔（1975—）男，广西靖西人，百色百矿集团有限公司，主要研究煤矿开采及安全技术。