常兴煤业厚层软顶预裂充填沿空留巷技术研究

2021-05-13张家荣

山东煤炭科技 2021年4期

张家荣

（常兴煤业有限公司，山西蒲县 041207）

至2030 年我国的煤炭需求量在38 亿t，虽然其他化石能源和可再生能源开采技术取得了明显的进步，但是在很长的一段时间内，煤炭的主体消费能源地位不会动摇。为适应新时代特征，煤炭行业正向高效、节约、安全的发展道路转变，由过去的粗放开采到现在的科学采矿[1-2]。近年来，无煤柱护巷理念得到越来越多专家学者的认可，无煤柱护巷具有减少巷道开掘工程量、缓解工作面接续紧张、改善工作面通风系统等优点，广泛应用于我国大中小矿井[3-5]。

1 概况

常兴煤业5#煤层某工作面含0～1 层夹矸，煤层赋存平缓，煤层倾角平均3°，煤层上覆15 m 厚的软弱岩层。该部分岩层由岩性软弱的泥岩、砂岩、砂质泥岩等多种岩层构成，各岩层厚度在1.0～3.0 m左右，如表1。试验巷道为该工作面回风顺槽，开掘断面为矩形断面，断面尺寸为4.2 m×2.4 m（宽×高），支护方式采用锚网索联合支护。其中，锚杆直径18 mm，长度1.8 m，间排距0.7 m×0.7 m，锚索直径17.8 mm，长度8.5 m，间排距1.5 m×1.4 m。

2 试验巷道变形破坏特征

现场调研发现，试验巷道变形破坏严重，图1为巷道变形破坏实拍图。如图所示，巷道局部出现煤帮破碎、鼓出和顶板鼓包破碎现象，这主要是由于采动影响和软岩破碎膨胀相互作用下，巷道软弱顶板岩层裂隙发育明显，造成局部锚固支护结构失效，从而导致顶板区域性垮落，靠近巷帮的煤体纵向约束力降低，而较远的煤体纵向约束力增加，挤压帮部煤体，从而诱发巷帮大变形。

表1 工作面岩层情况

图1 巷道变形破坏实拍图

3 预裂充填沿空留巷稳定控制机理

开采煤层上覆层厚较大的软岩顶板，由于没有稳定岩层承载，受采动影响，顶板岩层持续剧烈回转破断，造成沿空留巷围岩结构剧烈扰动，顶板岩层已发生整体离层，诱发巷道支护结构失稳。图2为厚层软顶预裂充填沿空留巷结构示意图。采用预裂切顶的方法对邻近采空区顶板岩层进行切落，切断巷道厚层软顶与巷道顶板的联系，缩短巷道侧向顶板悬露长度，减小采空区顶板破断垮落时间，从而降低沿空留巷受到的采动影响，同时利用厚层软顶的碎胀性能充填采空区，并对上覆岩层起到一定的承载作用，实现预裂充填留巷。

4 顶板预裂充填沿空留巷技术

4.1 顶板预裂充填技术

沿工作面区段巷道向工作面方向的顶板超前15 m 范围内施工预裂钻孔，钻孔直径为50 mm，长度为10.0 m，钻孔间距为2.0 m。钻孔内采用不耦合装药方式，炸药采用煤矿许用乳胶炸药，药卷外径35 mm，采用安全电雷管引爆，炸药布设在PVC 管内。PVC 管内径36 mm，壁厚2 mm，设计两段，每段2.3 m，管壁上设置对穿钻孔用于提高裂缝效果。对穿钻孔规格：孔径5 mm，间距30 mm，封孔长度5.2 m，如图3 所示。

图2 厚层软顶预裂充填沿空留巷结构示意图

4.2 沿空留巷支护技术

图4 为沿空留巷支护参数与现场单体支护图。其中，a 为超前顶板支护平面图，b 为滞后工作面单体支护加强支护现场。

超前工作面范围内巷道采用锚梁主动支护。锚索直径为17.8 mm，长度为8.5 m，锚索沿距回采面煤壁0.5 m 处施工，排距1.2 m。梁采用矿用工字钢加工制作，工字钢规格11#，长3.0 m。每3 根锚索配套1 根工字钢，每根锚索配套专用锁具、垫圈和高强托盘，托盘规格0.3 m×0.3 m×0.16 m。每根锚索配套2 支MSZ2360（外侧）和1 支MSK2335（内侧）树脂锚固剂。锚索钻孔深度8.2 m，外露长度小于0.3 m，保证锚索锚固长度不低于1.5 m。

滞后工作面30 m 范围内采用单体液压支柱进行顶板加强支护，单体液压支柱规格DW28-250/100，距采空区帮0.5 m 安装，柱距1.0 m。采用钢梁配套塑料网进行采空侧矸石帮护巷，塑料网网径50 mm，规格1.5 m×1.2 m，网片搭接长度不低于0.1 m，两帮喷射0.2 m 厚的混凝土喷层用于防漏风。

图4 沿空留巷支护参数与现场单体支护图

5 巷道围岩变形监测

采用顶板预裂充填沿空留巷技术进行了现场工业性试验，用十字测试法监测了留巷过程中巷道围岩变形情况，图5（a）和（b）分别给出了巷道顶底板及两帮变形曲线图。如图所示，巷道变形主要发生在滞后工作面10～15 m 范围内，顶底板变形量在80～110 mm，两帮变形量在170～210 mm；滞后工作面15～40 m 范围内，变形速度减小，此时巷道顶底板变形量约为170～215 mm，两帮变形量约为340～355 mm；滞后工作面40 m 后变形逐渐趋于稳定。现场考察发现巷帮喷层结构未出现开裂现象，进一步表明了顶板预裂充填沿空留巷技术合理性和可靠性。同时从监测结果可以看出，采用顶板预裂充填沿空留巷技术后，其采动影响范围大大降低。