厚煤层切顶留巷动载期间临时支护技术现场试验研究

2020-02-06侯世林王宏宇魏庆龙乔博文

中国矿业 2020年1期

李帅，侯世林，王宏宇，魏庆龙，乔博文

(1.郑州煤矿机械集团股份有限公司，河南郑州 450000；2.中国矿业大学(北京)深部岩石力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083)

传统采煤大多采用长壁开采121工法，该工法以钱鸣高、宋振琪等的理论为基础，回采一个工作面需要在工作面两端分别掘进一条顺槽，同时还需要在相邻两个工作面之间留设一片区段煤柱，区段煤柱的留设将造成大量的煤炭资源浪费。

针对留设煤柱造成的资源浪费问题，我国学者做了大量的研究。我国沿空留巷技术发展始于20世纪50年代，巷旁支护经历了矸石墙、密集支柱、砌块、高水材料、高强混凝土材料的发展过程[1]。孙恒虎等[2]以弹塑性力学为理论基础，简化采场顶板，认为顶板岩层间黏结力近似为零，继而将顶板简化为层状组合板，得出层状组合板支撑边界是沿空留巷巷旁支护体工作阻力荷载的主要来源。张农等[3]于千米深高地压软岩巷道进行了沿空留巷现场试验，其采用“三高”锚杆+锚索梁初始支护、锚索梁+注浆超前加固、工字钢梁+铰接顶梁辅助支护、膏体材料泵送充填构筑墙体的支护方式，有效控制了深部沿空留巷巷帮部及顶板的剧烈变形，为大埋深沿空留巷发展提供了重要参考。李化敏[4]采用理论力学分析了沿空留巷不同时期顶板活动规律与特征，提出了巷旁支护工作阻力计算公式，提出了对应的巷旁支护设计原则。漆泰岳等[5]通过现场实测和理论分析，研究了各种条件下巷旁浇筑护巷充填体的可行性。华心祝等[6]采用理论力学和材料力学相结合的办法，提出了采用锚索加强巷旁支护和巷旁密集支柱联合支护的方法，实现沿空留巷顶板的稳定控制。孙晓明等[7]根据深部巷道围岩在开挖和支护时所表现的非线性力学过程特性，对锚网索耦合支护时空规律进行了数值模拟和工程应用研究，提出了锚网索与围岩之间时空耦合的最佳二次支护时间。何满潮等[8]根据“软岩大变形理论”提出了耦合支护原理，该理论认为，巷道变形破坏的主要原因是支护体和围岩在强度、刚度、结构上不耦合，主张加强关键部位的支护，充分调动深部稳定岩层的强度，实现支护一体化，荷载均匀化，根据理论分析和大量的工程实践，提出了软岩巷道复合型变形机制向单一型转化的支护对策。

切顶成巷无煤柱开采技术通过在采空区侧定向切顶卸压，阻断上覆岩层的传力结构，实现了自动成巷的无煤柱开采[9]，该技术克服了传统留设煤柱开采方法资源浪费严重、煤柱应力集中和冲击地压等缺点，降低了安全事故发生率，其通过爆破切顶实现对上覆岩层传力结构的破坏，在使留巷侧岩石保持完整的情况下使采空区侧岩石提前冒落，继而完成自动成巷[10]。因技术限制，目前大多采用炸药爆破进行巷旁切顶操作，由于切顶爆破具有随机性与不可控性，给巷道动载期间带来一系列安全隐患，因此，厚煤层切顶留巷动载期间临时支护技术现场试验研究具有非常重要的意义。

本文以陕煤集团柠条塔煤矿切顶留巷开采工业性试验为工程背景，在切顶留巷试验段采用以单体液压支柱为主要支护设备的支护方案进行现场试验，在无煤柱自成巷试验段采用以切顶护帮支架为支护主体的支护方案进行现场试验，并对两种方案支护条件下的散体帮顶底板移进量进行了对比分析。以探寻切顶留巷条件下散体帮侧合理的支护方案。

1 工程概况

柠条塔煤矿切顶留巷及无煤柱自成巷项目是陕煤集团神木柠条塔煤矿与中国矿业大学深部岩石力学与地下工程重点实验室联合共建项目，项目分为切顶留巷及无煤柱自成巷两个阶段。

1.1 切顶成巷试验段

切顶留巷实验工作面位于南翼2-2煤层西大巷北侧，北临红柠铁路煤柱，东临S1203工作面，西临S1201-I掘进工作面。工作面向北切眼处距红柠铁路约120 m，工作面辅运顺槽向西距惠宝煤矿东边界1 200 m，工作面回风顺槽向东距矿井南风井厂区1 200 m，向南为通往西客站的公路。工作面走向长3 010.3 m，倾斜长295 m，面积888 038.5 m2。工作面采用一次采全高、走向长壁后退式、综合机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板。该工作面煤层厚度4.17～4.80 m，设计采高4.35 m。直接顶为灰色薄层状粉砂岩，厚度2.82～5.04 m，直接底为0～1.3 m的砂质泥岩，基本顶为浅灰色、浅白色细粒石英砂岩，厚度5.4～20.63 m。依据该工作面矿压观测结果，基本顶周期来压步距平均为16.2 m，周期来压强度平均为42.7 MPa。工作面巷道布置图见图1。

1.2 无煤柱自成巷试验段

无煤柱自成巷工作面位于2-2煤层，工作面倾向长度280 m，走向长度2 344 m，可采储量336.7万t，煤层厚度3.81～4.35 m，煤层平均厚度4.11 m，埋藏深度90～165 m，煤层赋存稳定，煤层倾角近水平。

工作面老顶为中粒砂岩，厚5.4～21.5 m，灰白色，回采区域以中粒砂岩为主，工作面外段，局部顶板含砂质泥岩，成分以石英为主，长石次之，分选性中等，具大型交错层理。直接顶为粉砂岩，厚0.78～4.05 m，灰色、灰白色，回采区域以中粒砂岩为主，工作面外段，局部顶板含砂质泥岩，成分以石英为主，长石次之，分选性中等，具大型交错层理。直接底为粉砂岩，厚1.8～16.3 m，灰色，夹细粒砂岩薄层，并与之互层，见有劈理，工作面外段局部底板为炭质泥岩。老底为细粒砂岩，厚3.2～19.6 m，白色灰薄层状细粒长石石英砂岩，含白云母碎片，具波状层理(图2)。

图1 工作面巷道布置图

图2 巷道顶板条件及基本支护截面图

2 切顶留巷支护方案

单体液压支柱是传统支护应用较多的支护设备，其具有运输、安装便捷、提供压力稳定等特点。

方案设计采空区侧碎石巷帮采用“单体支柱+可伸缩U型钢+金属网”进行支护。施工过程中先用14#铁丝网将钢筋网和顶网连接，网片尺寸3.8 m×1.1 m，网格尺寸80 mm×80 mm，在钢筋网外围架设U型钢。挡矸所用U型钢型号为25U，初步设计U型钢间距为0.4 m，工作面架后200 m全部采用单体液压支柱进行临时加强支护，单体排距0.8 m，同样采用“一梁五柱”式，每排单体上方架设一根π型梁，长度为4.5 m(图3)。

图3 单体液压支柱支护方案示意图

3 无煤柱自成巷支护方案

为适应切顶后巷道顶板压力规律，设计制造临时支护墩式支架，该墩式支架主要组成部分为：顶梁、立柱、底座、液压控制系统等，其底座部分为刚性船头式结构，能够很好地适应起伏变化的巷道底板情况，保证了移架的便捷性。支架顶梁支持纵向偏摆与横向偏摆，适应基本顶上位岩层回转变形。支架设置有安全阀，当达到工作阻力时，立柱回缩让压，使围岩重新稳定。

方案设计采空区侧碎石巷帮用“墩式支架+可伸缩U型钢+金属网”进行支护。可伸缩U型钢间距600 mm，U型钢竖直布置，并用铁丝与金属网连接固定，金属网采用柔性8#铅丝网和钢筋网配合使用，菱形网规格为4 200 mm×1 000 mm，钢筋网规格为3 800 mm×1 000 mm(图4)。

图4 墩式支架支护方案示意图

根据机尾设备布置及钻机支架设计尺寸，可伸缩U型钢及挂网施工位置位于钻机支架底拖板后方1.6 m范围内。可伸缩U型钢及金属网安装在紧贴钻机支架挡矸板靠巷道内侧，安装完成后利用切顶护帮支架侧向挡矸横杆抵紧可伸缩U型钢，挡矸横杆侧推千斤顶工作阻力109 kN，千斤顶行程960 mm。

4 试验结果分析

4.1 支护效果对比

经过两种切顶支护方案的现场试验，测得两种情况下巷道顶底板移进量、两种方案下主要支护设施的受力情况，通过上述两组数据对比分析切顶支护的应用效果，现场支护效果如图5和图6所示。

图5 切顶留巷支护效果

4.2 顶板变形对比

在试验进行过程中分别对切顶留巷及无煤柱自成巷段进行及时监测点布置，在巷道顶板进行位置标记，运用顶底板移进量测量仪与人工测量法对顶底板移进量进行精准测量，在测量数据中选取距开切眼90 m处切缝侧顶底板移进量情况进行对比分析，其随工作面推进变化曲线如7图所示。

图7 90 m处监测点数据对比

由于无煤柱自成巷与切顶留巷两种采煤方法的巷道掘进方式不同，前者采用工法专用采煤机进行边采边留巷操作，故而其顶底板位移监测滞后于工作面。而采用切顶留巷工法的工作面则需进行预留巷道的提前掘进并进行超前支护，其数据监测超前于工作面。

由图7可知，在以墩式支架为主体的无煤柱自成巷试验段中，其顶底板移进量最大值为122.4 mm，切顶留巷段在以单体支柱为主要支护设施的情况下顶底板移进量最大值为325.7 mm，墩式支架在控制顶板变形方面更有优势；墩式支架支护情况下的顶底板移进速率明显低于单体液压支柱情况下的顶底板移进速率，其支护效果更为稳定，控制顶板沉降效果显著。

由图8和图9可知，在液压支柱支护情况下，顶底板移进量从不稳定期到稳定期的转化时间明显长于墩式支架。在曲线方面，单体支柱支护情况下呈现多处波动，而墩式支架支护情况下其曲线呈现平滑状态，说明墩式支架提供的支护力稳定且长久。