Z型工作面切顶留巷支护技术研究

2018-11-19张俊满张孝荣呼少平

陕西煤炭 2018年6期

张俊满，张孝荣，呼少平，崔浩

(陕西澄合百良旭升有限责任公司，陕西渭南 715200)

0 引言

近年来，综放工作面大断面开切眼一次掘进[1]、无煤柱开采、沿空留巷和矿压控制技术日渐成熟[2]，尤其是切顶卸压无煤柱开采的推广应用，使我国煤炭安全高效开采有了新的突破。在沿空留巷工艺上的“Y”型工作面也逐渐向“Z”型工作面演化，两种布置形式适应性略有差别，Z型开采优越性更强，不留煤柱，取消了孤岛工作面，不仅可以合理开发煤炭资源，避免浪费煤柱，提高煤炭回收率，增加矿井的可开采年限；还由于少掘进一条巷道，缓解了生产接续矛盾，减少了工作面设备的搬运和安装时间。董东煤矿由于巷道和矿压显现较大，开采过程中两顺槽变形严重，回采成本高，效率低，严重影响企业效益，为了彻底解决高矿压顺槽巷道支护难题，从开采方法与支护两方面进行研究分析，决定在董东煤矿50107工作面采用Z型切顶沿空留巷工艺。

1 工程概况

董东煤矿50107工作面总体位于向斜构造区，工作面北高南低，西高东低，主采5号煤层，回采煤层倾向变化较大，倾角在3°～6°，煤层底板标高+210～+380 m，厚2.6～5.0 m，平均厚3.4 m，属较稳定煤层。煤层基本顶为粉砂岩，厚7.78 m；直接顶为泥岩、粉砂岩、夹细砂岩条带，厚0.5～2.9 m；直接底为石英砂岩，厚1.44 m。

2 Z型开采方式及留巷端头支护工艺

工作面巷道采用“Z”型布置开采，其中一条巷道随着工作面向前推进，始终保持前进式沿空留巷，工作面风巷采用前进式沿空留巷，在采空区侧留巷形成，沿空留下的巷道可作为开采下一个工作面的顺槽，一巷两用，节省掘进巷道的费用，避免采掘失调、接续紧张，省去工作面的煤柱，提高了资源回收率。工作面巷道“Z”型布置开采技术需采取前进式沿空留巷，一般适用于低瓦斯矿井，地质构造简单，煤层不易自燃，煤层厚度不大的采煤工作面[5]。

2.1 工作面布置

针对董东煤矿现场条件，考虑到工作面压力显现情况、留巷时间与工作回采时间之间的关系，以及通风、行人等要求，以此为依据来设计选择工作面的合理长度和推进长度，适当减小巷道有效断面，有利于巷道维护和减少材料消耗，达到优化工作面设计的目的，从而实现效益最大化。50107工作面Z型开采切顶留巷布置如图1所示。

图1 Z型开采留巷布置图

2.2 留巷端头支护

回采前采用爆破技术，对巷道正帮侧顶板采取定向预裂，缩短顺槽侧采空区顶板悬臂梁长度，待工作面推过后，在矿压作用下顶板将沿预裂切缝自动切落形成巷帮，既隔离了采空区又保持了巷道的完整性，可作为下一个工作面的顺槽二次使用。留巷端头支护如图2所示。

Z型开采切顶留巷技术端头施工主要工艺流程为：煤机截割生成巷道→超前临时支护→锚网索支护、施工切顶眼→沿设计切顶线爆破预裂切缝→留巷段加强支护及挡矸→喷浆封闭巷帮。

图2 留巷端头支护图

3 Z型开采留巷支护参数

3.1 巷内支护

巷内支护强度维持顺槽留下部分的完整性是沿空留巷成功的基础，能够使得回采过后一帮的顺槽顶板处于悬臂状态，因此，必须采用锚杆支护，顶板钢带具有一定的刚度增强顶部完整性。

顶板锚索采用四四布置，其中3根φ21.8 mm×10 400 mm与2 600 mmT型钢带联合支护，间排距为1 200 mm×1 200 mm，沿空巷旁安设1根φ21.8 mm×10 400 mm巷旁加强锚索，排距为600 mm；锚杆为φ20 mm×3 000 mm无纵肋左旋螺纹钢，间排距为700 mm×600 mm，Z2360树脂药卷，每孔3卷树脂药。巷内顶板支护如图3所示。

图3 留巷内顶板支护图

非采煤侧帮部锚杆为φ20 mm×3 000 mm右旋等强螺纹钢，间排距为700 mm×600 mm，Z2360树脂药卷，每孔3卷树脂药。巷内非采煤侧帮支护如图4所示。

图4 留巷非采煤侧帮支护图

3.2 巷外切顶

切顶的作用：在采面过后，靠近采空侧的煤壁首先要经受比垂直地压大得多的矿压显现[6]。而后，经过一个时间和空间的变化，采空区侧煤体内的矿压变化稳定后表现为沿煤体边缘向内的突然上升后逐渐衰减的一个曲线。巷外切顶能够改变大结构围岩力学平衡机理而及时释放巷旁支撑体荷载，有利于留巷处于长期稳定状态。

巷外切顶工艺：50107工作面Z型开采留巷切顶施工工艺如下，①打眼—切顶眼位置距巷旁加强锚索450 mm处，眼深7 000 mm，设计切顶线竖面向采空区倾斜20°，孔径45 mm，间距500 mm；②装药—采用U型φ32mmPVC管，在其底部布置3节药卷，相距3 m处再打孔布置2节药卷，用胶带固定炸药及管线，然后将管送入至切顶眼内，孔口封堵1 m长度封泥；③爆破—经检验合格后方可进行爆破切缝，采用不耦合装药，串联连线正向爆破，每次爆破数量6～10个。

3.3 巷旁挡矸

随着工作面回采，采场矸石势能转化为冲击动能，碎石帮横向冲击力和挤压力均会增大，挡矸结构应有足够的抗横向变形能力[7]，因此巷旁挡矸支护是切顶留巷成功的关键因素之一。目前，采用预支撑袋铸混凝土[8]以及钢管混凝土柱巷旁支护[9]等较大强度尺寸的支护。但在董东煤矿实验段留巷采空巷旁支护设计采用曲线挡矸柱。

采空侧巷旁支护体系采用曲线挡矸柱+密集单体液压支柱+铁丝网(钢筋网)联合支护。①曲线挡矸柱+液压单体联合支护—采用曲线挡矸柱，由固定段3 000 mm和滑动段800 mm两部分组成，间距600 mm，搭接部位采用U型卡缆连接固定，具备让压滑动性且滑动量程不小于400 mm；②密集液压单体柱加密支护—在相邻曲线挡矸柱间加密布置单体，间距600 mm；③铁丝网铺设—巷内和巷外顶网相连，搭接不少于400 mm，侧帮下半段加设网片采用2 600 mm×900 mm双层铁丝网，搭接不少于100 mm，14#铁丝逢孔必联。

巷内支护可以避免巷道顶部围岩微观离层向宏观离层发展，使得稳定拱线末端向采空区方向弯曲而达到提升留巷顶板稳定性的目的；巷旁支护结构的及时支撑可以防止巷道顶部围岩宏观离层向破坏失稳发展，使得形成新的自稳隐形拱而达到留巷长期稳定；巷外切顶能够改变围岩力学平衡机理而及时释放巷旁支撑体荷载，有利于留巷处于长期稳定状态。