登茂通矿切顶卸压沿空留巷支护设计

＊史虎平

（阳泉煤业集团安泽登茂通煤业有限公司 山西 042509）

1.引言

2019年，登茂通矿继续推广应用简易切顶卸压沿空留巷技术，先后在2106、2105、3111、3110工作面进行了应用。从留巷效果来看，巷道状况不错，完全满足邻面回采巷道需要，这种工艺，操作简单，成本投入低。通过四个工作面的应用，发现留巷内十字铰接梁、护腿柱、单体柱毁损严重，整个沿空留巷支护体系由于十字梁的断裂，造成了整体支护强度破坏，增加了更换柱及重复性支护劳动强度。为了减少材料损坏，提高材料复用率，对原沿空留巷支护进行了改进，取消了十字铰接梁，护腿柱底部尖端设计，经3111、3110工作面应用，沿空留巷200m以后，拖腿柱变形少了，单体柱也减少了折损，矿压得到了有效控制，对成本节支、安全生产有着重大意义。

2.简析沿空留巷主要的覆岩运动特点

施工人员结束开采工作面煤层之后，上覆岩层会出现规模较大的运动而且会造成持续性的应力调整，由此出现采动应力场，位于采空区域边沿位置的沿空留巷，顶板自然会在一定程度上受限于采动应力场。据相关研究表明，其具体运动依据时间能够划分成三个阶段，分别是前期、过渡以及后期。这样一来回采工作面范围内的煤层结束后，基于向前移动支架，这样会直接导致后面的岩层没有了以往的支撑，由此一来采空侧，很容易就此破断变成进入到倒台阶状态，那么顶板便能够在此时期内遭受到来自直接顶出现垮落以及其他因素造成的影响，常见于旋转下沉这种变形模式，而在这一阶段的整体活动过程也便是所说的前期活动时期。如果直接出现完全垮落之后，其基本顶也相继出现断裂以及旋转下沉，在下沉中的顶岩块逐渐形成相对稳定且坚实的砌体梁结构，至于基本顶的覆岩，其自身重量会依托直接顶逐渐转移至层面的实体煤，在其深部形成应力集中并且获得基本顶稳定保护的巷道，在相关范围内位于低应力区，顶板在这一阶段的变形依旧是直接顶以及基本顶主要是旋转变形，一方面速度较快，另一方面具有较大的变形，而顶板运动在这一时期则属于过渡期。煤层在采出之后，上覆岩层通常不是一次性就实现垮落的，会依据自下往上的方式实现分层以及分组形式的断裂垮落。因为处在采空区域的边缘，这样一来针对矿压大小，不仅仅是局限在低位岩层自己的结构特征以及具体的垮落程度，而且在上覆的若干岩层组所发生的分次垮落，会在一定程度上针对侧向顶板出现较大干扰，进而影响到这一区域。在砌体结构变得稳定之后，其借助应力分流逐渐转移至采空区矸石上，这样会造成煤体以及直接顶出现一定损伤，由于这样的情况，压力峰值则会出现变大，与其同时会向着深部区域发生转移，从而发生平行下沉，这一时期也便是所谓的后期活动期而且变形模式是平行下沉，基于分次发生的覆岩垮落而呈现出相应的波动性，一方面这种变形发生的时间相对偏长，可是速度偏小，另一方面垮落层位伴随进一步的向上发展，会降低覆岩垮落针对围岩所造成的影响，在垮落至相应的高度后趋于稳定，通过需要达到裂隙带高度，借助侧向顶板，上覆岩层的具体载荷能够传递到低位岩层，然后在一定的煤体范围之内出现应力集中；受到有效保护，在一定程度上能够有效释放围岩应力让其能够比应力区低；而受到上覆载荷影响，能够让采空区域内的矸石不断压实，进而逐渐恢复应力，所以在横向采矿场顺次构建以下应力区：分别是高承载、卸压以及应力恢复区。

3.切顶卸压沿空留巷支护分析

(1)切顶卸压的原理

沿空留巷就是采用相应的支护方式将靠近采空区边缘的巷道保存下来，主要优点是减少了巷道的掘进量，缺点是在实施过程中需要考虑很多的因素。通常情况下，沿空巷道会承受较大的支承压力变形，这主要是由于采空区顶板的压力传递到巷道的上方，在巷道周围形成一个应力升高区[1-2]。为了应对这种情况，专家学者们采用切顶卸压技术。切顶卸压技术本质上就是采用深孔聚能爆破或切割机使得巷道的顶板和采空区的顶板进行分离，从而达到阻断应力传递的效果。切落的顶板随预定轨迹缓缓下沉，形成巷道的帮部，隔断了来自采空区集聚高应力的传递，如图1所示。

图1 切顶卸压沿空留巷示意图

切顶卸压沿空留巷技术的发展得益于深孔聚能爆破技术和大型顶板切割机的发展。随着这项技术的日渐成熟，越来越多的矿井采用来这种方式来进行无煤柱开采。在切割顶板后，顶板下落自动形成巷道，不仅提高了沿空留巷的成功率，还能降低沿空留巷的工程量[3]。值得注意的是，在卸压后仍需要对巷道进行加强支护。这是由于沿空巷道受到了重复采动的影响，会产生较大的变形。

(2)留巷支护设计

通过以上分析，切顶卸压后仍需要对沿空巷道进行加强支护。在对巷道进行支护时，需要考虑到支护的工程量和经济性。根据回采前期巷道的变形程度，可以将巷道分为剧烈变形段和稳定变形段。一般地，可以认为回采推进200m以外是稳定变形区域[4]。为了保证支护的经济性和降低支护的工程量，这里采用了简易的支护。

对于沿空巷道的剧烈变形段，在工作面端头支架移架后，将采空侧超前支护替换为单体柱配顶梁支护，留巷内共布置三排支护，1.2m铰接顶梁为“一梁两柱”支护，排距0.6m，单体柱穿铁鞋；1.2m铰接顶梁与工字钢护腿铰接挡矸，与护腿柱铰接的顶梁下单体柱穿复合铁鞋，如图2所示。

图2 变形剧烈区巷道支护示意图

对于沿空变形稳定区，在进行支护作业时，撤去巷内实体煤帮侧一排单体柱，剩余两排单体柱+一根工字钢护腿支护，如图3所示。

图3 变形剧烈区巷道支护示意图

这种支护的主要特点是取消了原十字铰接梁，工字钢护腿底端设计为尖端。顶板来压后，护腿柱能迅速插入底板，不至于将腿压弯。靠采空侧铰接梁下为一梁两柱，能更有效支护顶板。靠采空侧铰接梁末端设在切顶锚索巷道内侧，采空侧切顶锚索能很好的保护单体支护。

4.应用效果以及不足

改进了沿空留巷支护设计后，取消了原十字铰接梁，工字钢护腿损耗率也大大降低，按照2020年沿空留巷2000m计算，取消了原十字铰接梁可减少投入十字铰接梁3333个，单价为510元/个，可以节约支护成本170万元，工字钢护腿改进可减少投入工字钢护腿约1000根，单价为45元/根，可以节约支护成本4.5万元，合计可以节约支护成本174.5万元，另外减少人员劳动强度，极大降低了安全隐患，保证工人人身安全，经济效果明显。

根据3111、3110沿空留巷的支护情况来看，也有不足的地方，沿空留巷后期，受顶板矿压影响，局部地段出现了底膨现象，需要进行起底，个别单体柱卸液自降需要补液或更换，目前3110留巷断面为4.5m×2.6m，留巷断面大，矿压大，后续应将断面变小，改为4m×2.6m，可以进一步减少矿压对支护体的破坏，提高材料复用率。

5.小结

切顶卸压沿空留巷是无煤柱开采的重要方法之一。为了保证沿空巷道的稳定性，在切顶卸压后仍需要对沿空巷道进行支护。根据多年的工程经验，登茂通矿在支护设计时取消了原十字铰接梁，以简化巷道支护的流程。通过现场试验可以发现，简化后的支护不仅能满足巷道支护的需要，还提高了工人的劳动强度。但这种支护还存在着一些不足，需要在日后的工程应用中加以完善。