柠条塔煤矿大采高工作面110工法挡矸支护实践

陈万胜，刘 辉，陈 菲，陈奎奎

(1.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 榆林 719300；2.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程实验室，北京 100083)

0 引言

本世纪初，何满潮院士[1-3]提出了“切顶短臂梁”理论和无煤柱自成巷开采技术[4-6](或称110工法)，该技术采用双向聚能张拉成型爆破技术[7-11]超前预裂顶板，在采场周期来压作用下将顶板按设计位置切落，从而切断了顶板的应力传递；利用矸石自身碎胀特性使垮落的矸石碎胀后形成对上覆岩层的支撑结构，以达到控制上覆岩层的回转和下沉变形的目的；同时切落的顶板在挡矸支护作用下自动形成巷帮，隔断采空区，进而保留该顺槽巷道作为相邻工作面的回采巷道继续服务。该工法减小了采掘比，实现了无煤柱开采，避免了留设煤柱造成的资源浪费，提高了回收率，同时有效防止了留设煤柱引发的应力集中、冲击地压、煤层自燃等煤矿灾害[12-16]。

根据110工法施工特点，工作面回采后顶板岩石将逐渐垮落，矸石在垮落、挤压、碰撞的过程中有向巷内窜出的趋势，同时碎石帮在未压实稳定时容易向巷内鼓出变形，因此实施过程中必须对采空区巷帮进行挡矸支护。针对该问题，国内外学者对矸石飞窜的防治问题做了一些研究。例如，曹树刚等[17-19]研制了带金属网的四门组合轻型架间挡矸装置，通过现场试验和数值模拟证明了其安全可靠、结构简单、轻便易换等特性；丁成群等[20]针对大倾角高档普采工作面研制了液压挡矸装置，有效地控制了大块矸石滚落伤人现象。然而，大采高开采条件下煤层厚、采出空间大，在切顶留巷过程中，大采高工作面顶板岩体垮落至底板时动能比采高较小时更为强烈，给留设巷道采空区侧的巷帮支护带来很大困难。为此，以柠条塔煤矿大采高工作面110工法工程试验为背景，通过挡矸支护现场试验比选，对最优挡矸支护方式、支护材料进行探索。

1 工程概况

柠条塔井田位于陕西省神木县中部，为神府东胜矿区的一部分(神南矿区)，进行110工法试验的S1201工作面为典型的厚煤层大采高综采工作面。S1201工作面位于井下南翼2-2号煤西大巷北侧，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，厚度为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。该工作面矿压观测结果显示，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。

2 试验方案设计

由于柠条塔煤矿S1201工作面顶板以砂岩为主，垮落的矸石块整体较大，导致侧向冲击力较大，同时针对柠条塔煤矿的大采高条件，为探索经济有效的挡矸支护方式和支护材料，研究过程中设计了多种挡矸支护方案并进行了现场试验比选。挡矸支护试验方案主要有9种(详见表1)，试验位置如图1所示。

表1 挡矸试验方案Table 1 Test scheme of retaining gangue

图1 挡矸试验位置分区Fig.1 Location division of gangue retaining test

3 试验效果分析

由于不同挡矸方式的材料强度和抗弯性能不同，因此在采空区矸石的冲击力作用下将会产生不同程度的反映，以最大帮鼓量为研究对象进行试验效果分析，统计结果如图2所示。

图2 不同挡矸方案最大帮鼓量统计Fig.2 Statistics of maximum side heave amount of different gangue retaining schemes

从统计结果可以发现，采用方案5(全部采用单体液压支柱)和方案9(堆砌挡矸墙)帮鼓量较小，主要原因是单体液压支柱有初撑力，与顶板作用力较大，单体与顶板相互作用产生摩擦力，能够起到较好的挡矸作用。期间试验5 m距离的挡矸墙，墙体在U型钢外进行堆砌，因此几乎无帮鼓变形，然而砌墙不仅工程量大而且施工复杂，巷道下沉较大时容易产生龟裂、坍塌。

方案6、7、8巷帮最大变形量较为接近，主要原因是采用了单体斜撑。单体斜撑能够提供较大的水平抵抗力，防止巷帮鼓出，因此对于大采高，采用单体斜撑是一种防止帮鼓的有效方法。

方案1、2、3、4变形量较其它方案大，分析其原因为采用工字钢或木点柱作为挡矸支护材料，木点柱极易与顶板脱顶，只剩间距较大的单体挡矸；工字钢抗弯性能较差，导致帮鼓量增大。对工字钢、U型钢和单体支柱的弯曲损坏个数进行统计，如图3所示。从统计数据可以发现，工字钢是最容易损坏的挡矸设备，而单体和U型钢损坏相对较少。

图3 不同挡矸设备损坏所占比例Fig.3 Damage ratio of different gangue retaining equipment

综合分析可知，单体液压支柱和U型钢是抗弯性能较好的挡矸材料，挡矸效果良好。然而，单体液压支柱成本高，且弯曲后无法循环利用，因此最终确定采用U型钢+单体斜撑(即方案8)的挡矸支护方式。同时根据试验效果，确定U型钢支护间距为600 mm，最终挡矸支护效果如图4所示。

图4 最终挡矸方案Fig.4 Final gangue retaining scheme

4 挡矸支护施工应用

在机头位置工作时，作业人员需在空顶下作业，容易造成安全隐患。因此，端头架的移动方式相对传统工艺应做适当改变。如图5所示，端头支架3向工作面中部移动一段距离使端头支架3的右边界与巷道正帮齐平，端头支架1、2向工作面前方移动0.8 m，给工作人员留出空间进行挂网挡矸及临时加强支护施工，保证施工安全，过程中用到的材料设备可通过联巷输送。

图5 端头架移动位置示意Fig.5 Schematic diagram of moving position of end support

施工前需做好准备工作，将所有使用材料提前运至指定地点。然后进行隐患排查，处理安全隐患，应将周围杂物及其他闲置备件等全部运走，并经确认安全后方可进行施工。挡矸支护施工示意图，如图6所示。

图6 挡矸支护施工示意Fig.6 Construction sketch of gangue retaining support

待巷道内的1、2号端头架移架后，及时进行架后临时支护，架设“一梁五柱”。进行挂网作业时，应防止采空区矸石蹿入巷道，可首先铺设铁丝网，将其中一端与巷帮顶部网搭接，另一端与底板接触，而后固定钢筋网。按照设计参数使用U型钢进行挡矸支护，U型钢沿巷道走向呈一条直线，为防止U型钢与底板之间发生滑动，底部卧底200 mm。在本试验方案的现场实际应用中，从未发生垮落矸石窜入巷道导致伤人、毁坏设备的现象，为井下的安全生产提供了保障，在同样的生产条件下大大的提高了生产效率。

5 结论

(1)挡矸试验中依据巷道帮鼓量、挡矸结构失效情况、挡矸成本等因素综合确定可伸缩U型钢支护是一种很好的挡矸支护方式；通过对比9种挡矸支护方案的试验结果，得到了安全可靠、经济有效的挡矸支护方案：全部U型钢+斜撑。

(2)通过本支护方案的现场实际应用，有效防止了垮落矸石蹿入巷道内以及碎石帮在未压实稳定时向巷内鼓出变形，对人员和设备的安全提供了重要保障，同时该研究结果亦为类似条件下巷帮支护设计提供了参考，对切顶留巷技术的进一步推广具有重要意义。