无煤柱切顶留巷围岩控制研究及应用

牛刚强

（山西晋煤集团晋圣亿欣煤业，山西 晋城 048200）

1 工程概况

亿欣煤矿1306 工作面开采15#煤，工作面相邻的是1307 采面。工作面走向长461 m，倾向长度200 m。工作面采用综合机械化长壁开采工艺，煤层产状稳定，平均厚度约为2.3 m，近水平煤层，煤层倾角约为3°，煤层上部有0.3 m 厚的夹矸层。由于国内鲜有对15#煤采用“110”工法的应用，为了充分回收煤炭资源，同时给1307 工作面的回采提供便利，针对15#煤坚硬顶板进行了无煤柱自成巷开采技术研究及应用，提高了经济效益，缓解了采掘接替紧张，延长了煤矿的生产年限。

2 切顶留巷巷道应力分布及切顶参数设计

2.1 切顶留巷应力分布特征

切顶留巷后，巷道围岩的应力分布会发生变化，而巷道支护需要有针对性地对巷道不同区域进行支护设计，因此首先对切顶留巷的应力分布特征进行分析，如图1 所示。切顶成巷工艺主要通过在工作面超前区域顶板爆破，切断煤层上的坚硬顶板，分离采空区顶板和巷道顶板，使实体煤和巷道顶板形成短壁梁结构。可以将沿工作面推进方向顶板的应力分为三个区域：A-原岩应力区域，B-应力增高区，C-应力降低区。

图1 切顶留巷围岩应力分布特征

根据切顶留巷围岩应力分布可知，切顶使顶板充分垮落后，留巷整体处于B-应力增高区域，从采空区到实体煤部分的应力逐渐增大至峰值应力。由于切顶留巷需要对工作面顶板超前预裂爆破，爆破后顶板的垮落高度比传统采煤工艺明显增大，特别是1306 工作面顶板的巨厚砾岩会使冒落高度更高，因此需要对巷内设计较强的支护阻力，并且尽量靠近实体煤。其次，工作面周期来压显现之前，顶板悬露长度小于周期来压步距，当顶板发生周期性破断后在采空区发生垮落，并且覆盖挤压垮落的矸石。矸石在垂直应力作用下，会发生侧向移动，如果巷道帮部没有良好的挡矸支护，矸石会被切落的顶板压实后涌入留巷内，影响留巷效果。因此，巷道的支护设计需要重点对留巷顶板以及采空区一侧的巷帮进行有针对性的设计。

2.2 切顶留巷参数分析

切顶参数的合理性对切顶留巷的效果有重要的影响，因此需要根据实际工程条件确定切缝的高度、角度以及爆破孔设计等相关的参数。切缝高度的计算公式如式（1）所示。

式中：Hm表示煤层厚度；2.3 m；Hk1为顶板下沉量，m；Hk2表示巷道的底鼓量，m；K 为岩石的碎胀系数，取1.2。由于煤层上方有0.3 m 的夹矸层，故而顶底板移近总量按照0.3 m 计算。代入以上数据，计算得切缝高度10 m。

爆破钻孔的角度ɑ 与工作面采高M 息息相关，一般有以下三种情况选择：（1）当M ≤1 m 时，ɑ设计为20°；（2）当1 m ＜M ≤3 m 时，ɑ 设计为15°；3 m ＜M ≤5 m 时，ɑ 设计为10°。因为亿欣煤矿1306 工作采高为2.3 m，故而ɑ 设计为15°。爆破孔的间距为500 mm，每个孔用6 根聚能管，炮泥封孔长度为2.5 m。

3 切顶留巷支护及留巷效果分析

3.1 切顶留巷支护设计

留巷成功的关键是能否有效的控制巷道的变形，尤其是在采动影响下巷道围岩变形量的控制和巷道围岩整体性的稳固。根据上述分析可知，巷道支护设计除了要保证工作面采动影响下顶板的变形，也要加强对帮部尤其是采空区一侧的支护。

针对1306 综采工作面推进过程中采空区垮落情况以及工作面来压的现场勘查和数据分析，为了防止采空区矸石涌入巷道以及留巷内围岩的稳定，1306 综采工作面运输顺槽沿空留巷巷旁及巷内进行分段支护设计。

将留巷巷道划分为3 个区域：

（1）巷道超前支护区域：在工作面前方30 m范围内。超前支护区域主要是工作面超前支承应力的峰值影响范围，30 m 范围内受到采动影响较大。在该区域采用单体液压支柱进行加强支护，在破碎机两侧各打两根，排距1 m。

（2）留巷重点维护区域：在工作面液压支架后方200 m 范围内。留巷重点维护区域主要是采空区顶板发生回转下沉的区域，影响范围往往在液压支架后200 m 的范围内，巷道围岩变形剧烈，因此要重点维护。该区域巷道按照“一梁四柱”设计，即π 型梁下由4 根单体液压支柱支撑，单体柱间距1 m，排距1 m。巷内支护如图2 所示。

图2 巷内支护断面图

由图2 可知，切顶留巷的切缝深度为10 m，角度为15°。为了防止切线处顶板发生意外冒顶，沿着切顶裂隙布置一排单体支柱，并在巷道内补打3根大变形恒阻锚索，锚索规格为直径21.8 mm，长度12.3 m。垂直于顶板的两根锚索间距1000 mm，另一根以15°的倾角向实体煤方向设计。

同时，为了防止采空区一侧的矸石在顶板下沉的影响下向巷道内涌入，巷道内还需要设计相应的挡矸支护。巷旁挡矸支护断面如图3 所示。巷旁挡矸支护也按照“一梁四柱”设计，铰接梁下方布置四根单体支柱，单体支柱排距为1000 mm。同时，采空区巷帮设计可缩性U 型钢与内挂钢筋网联合挡矸，与单体柱交错布置。U 型钢间距为500 mm，钢筋网尺寸选用1000 mm×2000 mm，搭接长度200 mm。

图3 巷旁挡矸支护断面图

（3）留巷稳定区域：工作面液压支架后方200 m范围之外。巷道顶板已经完成回转下沉，逐渐被压实，采空区的矸石也被压实，整体处于一个受力平衡的状态，基本不受工作面采动的影响，巷道内压力也较小。因此，可以将巷道内原来“一梁四柱”的高阻力支护改为“一梁三柱”，待矿压进一步稳定后改为“一梁二柱”，最后直至将全部单体柱撤回，只保留巷帮可缩性U 型钢及金属网进行挡矸支护。

3.2 留巷效果检验

为分析切顶留巷效果，在工作面液压支架上安装应力传感器，间距15 m，在巷道内安装顶底板位移监测装置和挡矸压力传感器各10 台。为保证数据的真实性，两种设备交错布置，间距均为20 m。留巷的效果考察主要在工作面后方200 m 范围内进行，这个范围的巷道变形量最大，如果得到有效控制，则证明留巷支护方案合理。

通过整理不同位置液压支架的循环末始阻力发现，15#煤基本顶的周期来压步距为10～15 m，施工切顶爆破一侧顶板周期来压显现较弱。其中，工作面中部液压支架的最大支护阻力显示为30.7 MPa，爆破切顶一侧液压支架与中部支架阻力相比，压力降低约16%，并且波动较小。爆破切缝一侧压力减小表明切缝高度设计合理，能切断顶板上覆坚硬岩层，直接顶和基本顶破断后，能够有效充填采空区，并且依靠自身回转下沉达到受力平衡，巷道上部岩层悬臂长度减小，进而使巷内压力显现减弱。

通过在留巷内观测巷道的变形量，来进一步验证支护的效果。在巷道内采用十字测点法，测点间隔10 m，用来收集留巷顶板的下沉量和底鼓量的变形规律，进而分析巷道围岩的整体变形特征。变形量数据整理后如图4 所示。

由图4 可知，随着工作面距离巷道布点位置越来越远，巷道顶底板的变形量逐渐趋于稳定。测点处于工作面后方25～75 m 内，巷道变形速率快，矿压显现剧烈，因此需要重点加强监管。当工作面距离测点位置在75～100 m 时，巷道围岩变形速率增长缓慢。在测点位置滞后工作面100 m 后，留巷的顶底板移近量约为1 mm/d。

图4 留巷顶底板变形特征

最终巷道顶底板移近量稳定在370 mm，其中顶板下沉量为315 mm，巷道底鼓量为55 mm，没有出现大变形或冒顶等事故，留巷围岩整体变形量在合理范围内，工作面顺利回采。

4 结论

（1）用切顶无煤柱自动成巷的理论分析了留巷围岩应力分布和巷道围岩变形特征，根据实际地质条件设计了留巷帮部挡矸支护和巷内支护的方案。

（2）通过观测液压支架应力变化和留巷顶底板移近量数据可知，切顶留巷有效减小了巷道的压力，巷内顶底板移近量最大为370 mm，回采过程中，工作面后方100 m 的巷道围岩基本不发生变形。