薄煤层“110工法”成巷质量影响因素分析

何文帅，党 辉，梁思哲，李 磊

(1.陕西瑞能煤业有限责任公司，陕西 延安 727307；2.陕西秦安煤矿安全评价事务有限公司，陕西 西安 710001)

0 引言

黄陵矿业瑞能煤业公司于2017年6月22日开始实施切顶卸压自动成巷开采技术，并率先在117综采工作面进行试验与应用。截至2019年5月，累计完成留巷2 100 m，其中117综采工作面留设巷道已完成下区段115综采工作面回采服务工作，115综采工作面留设巷道已为下区段113综采工作面服务560 m，113综采工作面目前已留巷180 m。

1 切顶卸压自动成巷设计

1.1 工程背景

1.1.1 工作面概况

117综采工作面开采煤层为2号煤层，工作面埋深65～260 m，自117工作面开切眼至950运输大巷，煤厚由1.0 m逐渐变为2.0 m，平均1.45 m，工作面最低采高1.6 m，超过1.6 m煤层一次采全高，煤层倾角2°～5°，平均3°，煤尘具有爆炸危险性，属自燃煤层，顺槽长度约1 026 m，工作面回采长度为980 m，工作面长151 m。顶板以细粒砂岩为主，厚度9.3～11.07 m，灰白色夹薄层泥岩。工作面直接顶板为泥岩或砂质泥岩，厚度0.8～2.24 m，稳定性相对较差，受采动影响易破碎。底板以泥岩为主，厚度0～2.17 m，局部夹根土岩，厚度0～0.97 m，分布于工作面开口局部段。

1.1.2 支护情况

117工作面进风巷巷道断面为矩形，掘进宽度为4.0 m，掘进高度为2.5 m，净断面积为10 m2。顶板采用“锚网+锚索梁”支护方式作为永久支护。锚杆采用规格为φ20 mm×2 200 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，布置方式采用“5-5”矩形布置，间排距为800 mm×800 mm；锚固方式采用2节树脂药卷端头锚固，树脂药卷分别为MSK2360与MSCK2335型；钢筋网采用规格为0.9 m×3.4 m、直径为6 mm的钢筋焊接网，钢筋网搭接宽度为50 mm。锚索采用φ15.24 mm×8 300 mm高强度预应力钢绞线，布置方式采用“2-2”布置，间排距为1 600 mm×2 400 mm，锚固方式采用三节MSCK2360树脂药卷端锚；锚索梁采用14#槽钢，长度为3 000 mm。巷道两帮用“锚网+梯子梁”作为永久支护，布置方式均为“3-3”矩形布置；巷道两帮锚杆采用规格为φ18 mm×1 850 mm玻璃钢锚杆，铺设规格为2.4 m×5.4 m的塑料编织网；两帮锚杆间排距均为800 mm×1 000 mm，锚固方式采用两节MSCK2335树脂药卷端锚，原巷道支护如图1所示。

图1 117工作面进风巷支护断面

1.2 切顶卸压自动成巷设计

1.2.1 恒阻大变形锚索支护设计

为保证切顶过程和周期来压期间巷道的稳定性，在对巷道顶板进行预裂切顶前采用恒阻大变形锚索加强支护[7-10]。恒阻大变形锚索垂直于顶板方向布置，共布设2列，近实体煤侧排距2 400 mm，距巷中线400 mm；沿空侧排距800 mm，沿空侧恒阻锚索距巷帮500 mm。恒阻大变形锚索直径取为21.8 mm，根据切缝参数，钢绞线长度均取8.3 m，恒阻器长500 mm，外径79 mm，恒阻值为33±2 t，预紧力不小于25 t。

文中所用的资料为中国空气质量监测平台公布的2015～2018采暖季西安市空气质量指数（AQI）以及该时间段大气主要污染物（PM2.5、SO2、PM10、NO2、O3）月平均质量浓度值。每月阴、晴天等天气状况由天气网查询统计得到。每月大气主要污染物月平均质量浓度值由13个监测站取算术平均值求得，主要参数有温度、湿度、主要污染物月平均质量浓度值等。

1.2.2 顶板预裂切缝参数设计

参数计算：切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术顶板预裂采用双向聚能爆破预裂技术将巷道顶板与采空区顶板预裂切缝，切断二者之间的应力传递[11-14]。该爆破技术是在对比研究多种聚能爆破和定向爆破方法的基础上发展起来的一种新型聚能爆破技术，施工工艺简单，应用时只需要在预裂线上施工炮孔，采用双向聚能装置装药，并使聚能方向对应于岩体预裂方向。爆轰产物将在两个设定方向上形成聚能流，并产生集中张拉应力，使预裂炮孔沿聚能方向贯穿，形成预裂面。由于钻孔间的岩石是断裂的，爆破炸药单耗将大大下降，同时由于聚能装置对围岩的保护，钻孔周边岩体所受损伤也大大降低，可以达到实现预裂的同时又可以保护巷道顶板。预裂切缝深度(H缝)临界设计公式为

H缝=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(1)

式中，ΔH1为顶板下沉量，m；ΔH2为底鼓量，m；K为采空区顶板岩层碎胀系数，一般为1.3～1.5。根据以往工程经验，对于类似117工作面复合顶板，初步计算时K可取1.34。117工作面最小采高1.6 m，最大采高2.2 m。通过前述数值模拟分析，对于一定采高的工作面，切顶高度的增加可有效减弱巷道围岩应力集中，对于一定切顶高度的工作面，采高越小，巷道围岩压力将相应减小。因此，对于117工作面，计算切顶高度时均按最大采高进行设计，即2.2 m。在不考虑底鼓及顶板下沉的情况下，根据上述切顶高度计算公式，可得出计算切顶高度约6.47 m。

试验参数及切缝布置：根据工作面数值分析结果，同时考虑到施工的便捷性，取切顶高度为6.0 m，切缝线与铅垂线夹角10°，切缝孔距离117工作面煤壁200 mm，根据以往工程经验，考虑到切缝施工的经济性，切缝孔间距初步设计为500 mm。炮孔试验参数及切缝布置如图2和图3所示。

图2 炮孔参数试验布置

图3 117工作面进风巷顶板切缝设计

1.2.3 架后巷道支护设计

工作面划分：工作面推进过程中，不同位置巷道受采动影响不同。工作面超前段会受到超前压力的影响，工作面开采后，顶板开采垮落，且从垮落到稳定需要一定的时间，因此距工作面较近的架后区域不仅需要进行顶板支护，还需进行挡矸支护。随着工作面继续推进，当巷道距工作面较远时，顶板运动基本会趋于稳定，此时可将架后临时支护的设备撤掉，只进行挡矸支护即可。根据以往现场监测数据，工程实施前暂先将工作面附近划分为超前支护区(工作面前方20 m)、超后临时支护区(架后0～200 m)和成巷稳定区(架后200 m之后)，不同分区采取不同的支护措施，分区如图4所示。

图4 巷道不同位置临时支护分区

超前支护区(煤壁前方0～20 m)：此段巷道位于工作面超前采动影响区，需要超前加强支护。结合工作面现有设备条件，超前支护仍采用原支护方式的单体液压支柱进行支护。

超后临时支护区(架后0～200 m)：此段巷道位于工作面超后影响区，受动压影响明显，巷道顶板压力较大根据现场条件，设计U型钢+钢筋网+单体液压支柱支护。架后0～200 m巷中采用单体液压支柱+花边梁进行顶板加强支护，间排距800 mm×800 mm。巷旁采用U型钢+钢筋网+单体液压支柱支护的支护方式，单体支柱与U型钢间距为500 mm，相邻U型钢通过两根拉杆连接。

成巷稳定区(架后200 m之后)：此段巷道受采动影响很小，顶板下沉量及单体支柱的压力变化很小，可认为该区域已趋于稳定状态，可将临时支护单体撤掉，只保留U型梁进行挡矸，挡矸支护采用U型梁，U型梁间距500 mm。成巷区临时支护平面如图5所示。

图5 成巷区临时支护平面展开图

2 影响成巷质量的因素

2.1 文明生产

黄陵矿业瑞能煤业公司施工恒阻锚索采用普通锚杆机进行施工，预裂切缝孔施工采用切缝钻机进行施工。采用“湿式作业”，随着留巷工程的推进，117综采工作面留巷作业段巷道底板积水增加，底板泥岩长期浸泡水中膨胀形成淤泥，造成该巷道现场文明施工差。人员行走不便，为轨道运输增加了安全隐患，影响成巷质量，即便工作面推采过后巷道底板仍有积水淤泥。

2.2 支护质量

支护质量是留巷质量的关键因素之一，当围岩发生大变形破坏时，恒阻大变形锚杆可以吸收岩体变形能，使围岩中的能量得到释放。恒阻大变形通过结构变形吸收变形能量，吸收能量巷道在回采期间过程中锚杆仍然能够保持恒定的工作阻力和稳定的变形量，从而实现了巷道围岩的稳定，因此恒阻锚索支护质量直接决定留巷成败。117进风巷恒阻锚索施工完毕后，按照要求，钢绞线初始外露长度为150～200 mm，经工作面推采过后，随着采空区顶板垮落，留巷顶板压力的增大，恒阻锚索开始出现异常情况，117综采工作面留巷工程量为980 m，根据实际统计，恒阻锚索共计施工1 680个，损坏26个，不合格率为1.55%，锚索损坏类型有锁具夹片个别掉落、锚索恒阻器断裂、锚索锚固段下沉、锁具不能有效夹持钢绞线等。

2.3 预裂切缝效果

117工作面完成推采后，117进风巷现场存在两处成形较差，采空区侧顶板下沉量增大，巷道呈“梯形”。117进风巷距离切眼4～10 m段顶板下沉量明显增大，原巷道高度2 450 mm，推采过后巷道高度1 900 mm，根据顶板移近量及现场测量数据显示该段巷道顶板下沉量约170mm，底板鼓起380 mm，巷道宽度无明显变化，距离切眼10～20 m段顶板下沉量实测为10 mm。117进风巷从切眼起沿回采方向161～166 m段，顶板下沉量达到150 mm，底板鼓起290 mm，巷道副帮煤壁片帮，巷道呈明显梯形状，顶部原锚索梁变形，原锚索脱落，压力显现明显。

3 产生原因及对策

3.1 产生原因

文明生产:117综采工作面直接底为泥岩，岩层厚度1.77～2.4 m，为灰黑色砂质泥岩，底板遇水膨胀，易形成淤泥。施工过程中不能有效将施工废水收集抽排，导致废水在巷道积聚，底板受水浸泡时间较长后形成淤泥。

支护质量:根据锚索工作原理，恒阻锚索二次预紧时破坏夹片内侧螺纹，导致其咬合能力下降，当顶板来压锚索受力增大时钢绞线与夹片之间产生相对滑移。钢绞线强度与夹片强度不匹配，钢绞线强度偏高或夹片强度偏低导致夹片内侧螺纹无法嵌入钢绞线表面。夹片热处理不过关，导致其硬度明显低于设计要求。恒阻锚索施工过程中，锚索与树脂药卷搅拌、凝固时间较短，钢绞线不能有效锚固，工作面推采过后，锚固端失效，锚索下沉失效。

预裂爆破:117回风巷道切缝线施工过程中，距离切眼4～10 m段6个预裂切缝孔被堵塞，无法装药，未进行爆破；工作面回采前预先对10～20 m段切缝孔进行了窥视，根据窥视及计算结果可知，切缝线10～20 m段裂缝率达98%，切缝孔平均深度6.1 m(裂缝率=形成切缝线深度/切缝孔深度)；然而切眼外4～10 m段裂缝率为0。在工作面推采至117回风巷从切眼起沿回采方向161～166 m段前，对该段切缝孔进行了窥视，共计窥视切缝孔10个，其中7个切缝孔孔内出现坍塌现象、坍塌高度不等，另外3个切缝孔裂缝率只有70%，切缝质量较差。

3.2 提高成巷质量的对策

文明生产管理:“110工法”施工前，必须在巷道内施工排水渠，加强水泵检修。施工过程中，加强施工期间废水收集，及时抽排废水，经常清理排水渠，确保排水工作正常进行。

支护质量管理：加强现场施工监督管理，建立施工日志，并由技术人员对现场施工进行全过程跟踪。加强支护质量验收，及时进行锚索拉拔力试验。恒阻锚索施工一次性预紧至设计值，避免二次预紧。据统计，黄陵矿业瑞能煤业公司115综采工作面实施“110工法”中，恒阻锚索共计施工1550根恒阻锚索，损坏仅有3根，损坏率0.2%，损坏率大大降低。

预裂爆破管理：加强预裂切缝爆破管理，严格按照设计要求进行施工爆破，严禁出现不爆破现象；爆破前必须确保封泥长度达到1.5 m，并用专用工具将炮泥捣实。

其他方面：加强爆破施工专业队伍建设。黄陵矿业瑞能煤业公司“110工法”交由综采队施工后，该队成立专门的预裂爆破小组进行施工，后续爆破质量得到有效提升，留巷质量大大提高。

4 结语

在实施薄煤层切顶卸压开采技术过程中，应加强施工队伍建设，成立专业预裂爆破小组，专门负责实施顶板预裂爆破施工，并定期进行培训。此外，应加强施工过程中设备用水管理，加强废水收集管理，进一步完善巷道内排水系统，及时清理排水渠，保证巷道湿度。支护质量管理方面，应当对恒阻大变形锚索施工进行过程监督，及时验收支护质量。爆破管理方面应严格按照设计进行爆破，严禁出现瞎炮、不爆破现象。