鹿台山矿切顶卸压沿空留巷关键技术研究及应用

2021-05-26张军鹏李旭锋

山西冶金 2021年2期

张军鹏，李旭锋

（1.山西煤炭进出口集团鹿台山煤业有限责任公司，山西晋城048200；2.山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西长治046000）

沿空留巷技术是矿井无煤柱开采中较为广泛的技术之一，具有资源回收率高、采掘接替紧张问题得以缓解、矿井服务年限得以增加、解决工作面上隅角瓦斯超限问题等优点[1,2]，还可防止由于煤柱应力集中而出现的安全问题[3]，是国内煤炭行业安全高效开采的重要途径。以往沿空留巷主要是通过在采空区侧进行充填的方法进行留巷，并且国内外许多学者在该领域内作了大量的研究工作。李化敏[4]基于充填沿空留巷的研究背景，建立了其充填体的支护阻力、变形量力学模型。唐建新等[5]基于充填沿空留巷的背景，提出在采空区侧采用混凝土充填、巷内采用锚网索、采空区侧采用锚索加固等手段进行联合支护，并得到顶板离层的临界值。康红普等[6]基于埋深较大情况下的沿空留巷，提出适合该条件下的支护原则。卢小雨等[7]根据支架-围岩力学关系原理，对留巷顶板下沉问题进行了分析研究。孙晓明等[8]基于薄煤层地质条件下的切顶卸压沿空留巷，研究了切顶高度、爆破方式、留巷补强支护等关键参数，现场应用效果良好。以上研究成果丰富和发展了沿空留巷无煤柱开采技术的理论。但切顶卸压沿空留巷的关键是通过爆破的手段将留巷与采空区顶板进行预裂切缝，采空区顶板因自重及时垮塌，因此沿空留巷围岩控制的关键则是确保其安全可靠。

以鹿台山矿2202工作面为研究背景，对切顶卸压沿空留巷关键技术参数作了研究分析，结合其工艺技术，设计合理的切顶、支护参数，并在现场作了试验，对同类条件下矿井实施切顶卸压沿空留巷中提供技术参考。

1 地质概况

2202工作面开采2号煤层，煤层结构较为简单，煤厚平均2.2 m，煤层倾角平均5°，其自燃倾向性为Ⅲ级，且不易自然；煤尘没有爆炸性。煤层总体分布呈现出单斜构造，局部范围发育存在次一级的向、背斜构造。该工作面北边煤层为全煤，南边煤层距底板约1.6 m处含有0.1~0.3 m厚的黑色泥岩夹矸。基本顶为距煤层10~14.1 m厚的细粒砂岩，岩性较为坚硬且不易冒落。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

2202轨道巷长1 302 m，皮带巷长1 287 m，工作面长159.6 m，工作面为矩形布置，轨道巷可采1 245 m，皮带巷可采1 230 m，平均可采1 237.5 m，工作面布置如下页图1所示。采用倾斜长壁后退式综合机械化开采、全部垮落法对顶板进行处理，2202轨道巷采用沿空留巷技术，将其保留下来当作2203皮带巷，工作面回采期间，被保留下的2202轨道巷（2203皮带巷）承担2202工作面回风用途。

图1 工作面布置示意图

2 切顶卸压沿空留巷关键技术

切顶卸压沿空留巷技术基于“砌体梁”理论，在采煤工作面超前一定范围内，在巷道靠近回采帮侧的顶板利用爆破的手段对顶板作定向预裂处理[9-11]，在巷道、采空区顶板交界处出现预裂切缝，可以将其之间的力学联系阻断；根据围岩压力与岩石碎胀性的原理，采空侧上方基本岩层将会随工作面的向前推进而及时垮塌、冒落，在巷旁挡矸防护体系的作用下自动成帮[12-14]，将回采巷道予以保留。

2.1 切顶留巷工艺

根据切顶卸压沿空留巷技术原理，提出以下其技术工艺：在工作面超前巷道内靠近回采帮的顶板施工切顶钻孔，并进进行预裂爆破，将会在预设方向上出现切缝，即为图2中的切顶线；同时在巷道内采用高强预应力锚索作补强，保证留巷时其围岩的稳定可靠，达到强帮固顶的效果；工作面推过后，紧随工作面端头支架沿着预裂位置架设挡矸防护设备，并利用垛式支架或单体柱配合π型梁临时支撑顶板，随工作面继续推进采空区顶板沿切顶线及时的垮塌，且自动形成碎石帮[15]；采空区内顶板充分垮落且压实后，留巷围岩结构将趋于稳定状态，随后逐步对巷内的单体支护取消或支护密度减小，结合现场留巷状况在碎石帮侧作喷浆或在架设挡矸设备时加上挡风布处理，起到隔绝采空区的作用；完成留巷后，可作为临近工作面回采巷道使用。其技术工艺流程如图2所示。

2.2 切顶卸压关键参数

切顶卸压参数的合理选取是保证沿空巷道是否保留下来。超前预裂切缝是在工作面超前巷道内利用爆破手段将巷道与采空区上方基本岩层之间形成预裂切缝，切断其基本岩层间的物理力学联系，能够减弱采空区侧基本岩层垮落对留巷产生的不良影响，并且还能够使采空区侧顶板及时的垮落形成碎石帮，如图2-4所示。预裂爆破技术即通过相邻炮眼爆破产生的应力波相互干扰作用和爆生气体高压静力作用使相邻炮眼中心连线产生裂缝，从而实现被爆破岩体预裂切缝。

图2 切顶沿空留巷工艺流程

超前预裂切缝其主要包括：预裂爆破钻孔施工；钻孔装药封孔及连线；钻孔预裂爆破。通常在巷道掘进形成之后就可以施工，最迟应超前工作面前方30 m，既要避开工作面超前压力的影响，也要避免影响工作面正常生产。

2.2.1 爆破钻孔参数

根据切顶卸压沿空留巷技术工艺，结合鹿台山2202工作面运巷实际地质状况，确定切顶孔距回采帮0.2 m；钻孔倾角α、β分别是巷道正视图中钻孔与水平方向的夹角、巷道中线剖面图中钻孔与水平方向的夹角，分别为90°、70°，钻孔需要向工作面后方倾斜；钻孔直径和间距均为0.5 m，采用50 mm的钻头和Φ42 mm的钻杆。

对留巷造成不利因素的关键是工作面推过后其端部所出现的“弧形三角板”和采空区、巷道上部顶板所残留的边界，并且均在煤层上方的基本顶细粒砂岩内，所以切顶高度为细粒砂岩上边界，因此切顶高度为14.8 m。爆破钻孔参数须结合工作面实际情况确定，并保证采用预裂爆破能够将工作面上部的中粒砂岩完全切断，减弱顶板因垮落时产生的剧烈活动对沿空留巷造成不利影响，因此得到预裂切缝钻孔深度为15.8 m。

2.2.2 钻孔装药及封孔结构

为保证将巷道顶板沿走向方向切落，采用预裂爆破技术进行，影响预裂效果的关键是切缝宽度、装药密度和不耦合系数及炮孔填塞的程度等。2202运输巷预裂爆破钻孔直径50 mm，矿用三级乳化炸药直径为32 mm，不耦合系数取1.6。

按照相关规定，深孔爆破时封孔长度不能小于爆破钻孔深度的三分之一。钻孔内装药分三部分，具体炸药量见图3，炸药需要采用PE半管将其送入。采用瞬发电雷管对炸药进行引爆，正向装药；每组炸药2个电雷管，并联布置。装药时需要将雷管插入炸药中，并用胶带将其绑在半管上后放入孔内。封孔段为水泡泥段、空气柱段和炮泥段。钻孔装药及封孔结构如图3所示。

图3 钻孔装药结构及封孔结构示意图

2.3 巷道补强支护方案

在进行超前切顶爆破后，巷道顶板由于爆破应力波的扰动，原支护体系面临失效的可能，届时将会发生顶板下沉或离层，为抑制该问题，应加强原支护体系的强度，即补强支护。在巷道顶板超前切顶爆破后，在顶板施工预应力锚索补强支护，在切缝附近布置抬棚等补强支护设备，主要作用是：组合加固顶板，强化顶板厚短悬臂梁的结构，提升顶板整体的强度；减少顶板下沉量，确保巷道断面满足工作面安全生产的要求。

顶板补强支护其主要包括：检验锚杆锚索支护强度，对不合格的锚杆（锚索）补打；顶板补打高强预应力锚索。补强支护应紧跟顶板爆破，最迟应超前工作面30 m内进行。结合工程经验和该运巷顶底板条件，利用锚索补强、巷内单体柱抬棚的主被动联合补强支护的方式。

2.3.1 锚索补强支护

在该运巷原支护体系上补打高强锚索，其锚固端锚入中粒砂岩不小于2/3，确保其锚固效果。主动支护采用直径21.6 mm、长度13.3 m的补强锚索，垂直巷道顶板布置1根锚索，排距为1.0 m，距回采帮0.7 m；每根锚索用5支树脂药卷加长锚固（上方用2支CK2335型、下方用3支Z2360型）；被动支护采用走向单体柱配合π型梁，且支柱均穿“铁鞋”，初撑力要大于100 kN，如图4所示。

图4 补强支护示意图（mm）

2.3.2 巷帮挡矸防护

工作面回采后其后方采空区上方基本岩层的垮塌，造成工作面的周期性来压。采空区内的矸石将会窜入留巷内，不能满足安全生产要求，所以需在留巷采空区侧布置挡矸防护设备。根据该矿实际地质条件，在工作面端头支架后方架设可伸缩U型钢、双层金属网、木板背帮等挡矸防护设备，可以阻断采空区内的矸石窜进巷内的路径，起到抑制碎石帮变形的作用。

具体挡矸防护情况：挡矸金属网长3.0 m、宽1.1 m且互相搭接；采用2根长度1.8 m的可伸缩U型钢，互相搭接长度要大于0.5 m，并用2套U型卡连接，间距为0.5 m；在碎石帮与U钢接触不充分的位置运用木板背帮。工作面推过后，紧随其端头支架后部先搭接金属网、后布置可伸缩U型钢，均在切顶线靠近巷内侧布置。为有效抑制帮部压力对U型钢造成的不利影响，通过Ф20 mm×2 400 mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆将其固定在顶板，锚杆排距0.5 m；并采用支撑杆连接U型钢，提高其整体稳定性。滞后工作面200 m后留巷碎石帮与U型钢接触不充分位置，利用木板背帮。并保证金属网之间、及其与顶板网之间相互搭接，U型钢下扎大于0.1 m。挡矸防护示意如图5所示。

图5 巷帮挡矸防护断面图（mm）

2.3.3 滞后临时支护

工作面后方范围内巷道受动压影响明显，压力较大，容易出现顶板下沉、两帮变形增大等情况。滞后临时支护即在工作面后方矿山压力动压影响区（滞后工作面200 m内），采用单体液压支柱抬棚、液压抬棚、液压支架、“#”型木垛等被动支护手段配合密集单体柱支撑顶板，如图6所示。滞后临时支护采用单体液压支柱配合π型梁或工钢梁临时支撑顶板，减弱采空区上方关键岩层的运动及矿压显现对巷道的影响，抑制顶板下沉，使滞后临时支护区内的巷道平稳进入成巷稳定区。滞后临时支护紧随工作面端头支架后方布置，与采空区挡矸防护同时实施。滞后临时支护与可伸缩U型钢间隔布置，且单体支柱均“穿铁鞋”，初撑力大于100 kN，具体支护参数如图6所示。

图6 滞后临时支护断面图

3 应用效果分析

基于切顶留巷技术要求，确定在2202轨道巷内进行巷道变形、锚索受力等监测，间隔50 m布设一个测站。

3.1 留巷变形分析

采用“十字布点法”对留巷变形状况进行观测，经观测数据分析得知，顶板下沉量最大98 mm，底鼓量最大102 mm，实体煤帮变形最大134 mm，采空区帮变形最大108 mm。

图7 4号测点变形曲线

从数据分析可知，开始留巷后，因采动压力和周期来压的作用，留巷变形速率较大，属于动压剧烈影响区A，位于工作面后方约60 m内；随留巷长度增加，受采动影响较小，滞后工作面60 m后其变形速率已变缓，属于动压缓慢影响区B，位于工作面后方约60~120 m内；随着留巷长度进一步增大，留巷受动压影响特别小，滞后工作面120 m后，留巷变形已趋于稳定状态，即为留巷一次稳定区C，位于动压缓慢影响区之后，此时可回撤临时支护；逐步取消临时支护，造成应力的再次分布，引起留巷围岩微弱变化，留巷有所变形，即为回撤影响区D，位于留巷开始回撤临时支护地点附近；留巷再次稳定后，临时支护已基本取消，围岩活动也已稳定，留巷完成，即为成巷稳定区E，位于回撤影响区后方。

3.2 顶板锚索受力分析

基于补强锚索受力观测数据分析可知，锚索安装时载荷为286 kN，锚索距工作面20 m时因工作面超前压力的影响其受力缓慢增大；在工作面推过锚索位置时则迅速增大，其受力载荷为322 kN。随工作面继续开采，锚索与工作面的距离逐渐增加，回采动压或周期来压对锚索的受力也逐渐变小，其受力也将趋于稳定。锚索受力最大值较初始值增加了36 kN，与锚索破断力相比仍是较小，说明锚索支护效果较好，能够控制留巷顶板。