大埋深破碎顶板沿空留巷技术研究

王建鹏 陈正江

（内蒙古福城矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299）

随着煤炭行业的发展，小煤柱、无煤柱开采已经成为煤炭企业研究的重点，相比大煤柱掘巷，小煤柱、无煤柱巷道不仅可以提高煤炭资源回收率，还可以减少应力集中，实现安全高效开采[1]。

1 概述

福城煤矿13上05N 工作面位于+248 m 水平二采区北翼，工作面走向长度380 m，倾斜长度185.8～197.1 m，平均倾斜长度189 m，面积为58 203.57 m2。13上05N 工作面西侧为13上05N工作面采空区，北侧为原13上05N 工作面采空区，为双侧采空，13上05N 工作面以下为计划开采的1906N 工作面。13上05N 工作面作为一个特殊的工作面，既影响本层工作面顺利推进，也制约下层煤工作面的正常推采。根据开采计划，13上05N 工作面回采前，正在回采的13上06N 工作面提前停采。为了保证后期13上06N 工作面及时恢复生产，需要对13上05N 工作面运输巷进行沿空留巷，作为13上06N 工作面回风巷。原巷道支护断面如图1。

图1 原巷道支护断面图（mm）

13上05N 沿空留巷计划施工380 m，即工作面推进全长。沿空留巷采用以“切顶卸压+恒阻锚索+普通锚索支护”的主动支护与“液压支柱+π 型钢梁”支护为主的设计方案，通过预裂切缝爆破，恒阻锚索+普通锚索补强加固，对所留巷道采用液压支柱配合π 型钢梁支护巷道。

2 支护设计

2.1 巷道超前补强支护方式

2.1.1 顶板支护

巷道顶板在三排锚索正中间位置处补打两排锚索桁架梁，当巷道顶板为泥岩伪顶、留顶煤、顶板破碎时顶板锚索压钢筋网，锚索间排距为1000 mm×2000 mm，桁架梁需搭接，桁架梁采用11#工字钢或29#U 型钢加工，U 型钢内用半圆木垫实，增加接顶面积；在原第二排顶板锚索（间距2000 mm）中间按照2000 mm 的间距补打1 根锚索；锚索采用1×19 的钢绞线制作，规格为Φ21.8 mm×9300 mm。

2.1.2 巷道帮部支护

巷道下帮在两排钢带之间补打两排护帮锚索，第一排锚索位于下帮第一棵与第二棵锚杆中间位置，第二排锚索位于下帮第二棵与第三棵锚杆中间位置，锚索之间采用钢带进行搭接，排距2000～2200 mm，锚索采用1×19 的钢绞线制作，规格为Φ21.8 mm×4300 mm。锚索托盘选用钢制蝶形托盘，规格为300 mm×300 mm×16 mm。巷道补强支护断面如图2。

图2 巷道补强支护断面图

2.2 顶板预裂切缝爆破

顶板预裂切缝采用双向聚能爆破预裂技术，采用聚能装置将炸药固定在需要位置并改变切缝孔围岩的受力状态，使切缝孔围岩按设定方向张拉断裂成型[2]。切缝深10 m，切缝孔间距为500 mm，与铅垂线夹角为15°～20°。

双向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管的外径为42 mm，内径为36.5 mm，管长为1500 mm。聚能爆破采用二级煤矿许用水胶炸药，炸药规格为Φ27 mm×400 mm/卷，单个药卷质量320 g，爆破孔口采用炮泥封孔。装药结构如图3。

图3 装药结构示意图

2.3 留巷支护方式

如图4 所示，将工作面附近划分为三个区：超前支护区（工作面前方0～120 m），架后临时支护区（架后0～200 m）和成巷稳定区（架后＞200 m之后），不同分区根据需要采取不同的支护措施。

图4 工作面运输巷分区图 （m）

2.3.1 巷道超前支护

运输巷超前支护长度自切顶排起不低于120 m，采用3.2 mπ 型钢梁配合单体支柱“一梁三柱”走向支设。

2.3.2 架后支护

工作面推采后，液压支架后方沿空留巷采用“单体液压支柱+U 型钢+钢筋网”联合支护。巷内临时支护采用倾向“一梁三柱”+走向“一梁四柱”支护。倾向“一梁三柱”上帮侧单体及中间单体直接支设在顶板11#工字钢或29#U 型钢桁架梁上，单体间距800 mm，下帮侧使用单体配合走向π 型钢支设，间距800 mm，如图5。

2.3.3 沿空留巷巷旁支护

采用29#U 型钢上下两节可缩性搭接，单根长为3 m（可根据巷道高度适当调整），采用两副卡兰连接，卡兰上下沿距U 型钢搭接端头各40 mm，搭接长度大于1.0 m。29#U 型钢棚埋入底板以下不低于500 mm，并且打设锚杆固定棚腿。两根29#U型钢用卡兰固定搭接形成可伸缩挡矸U 型钢，可伸缩挡矸U 型钢之间采用连杆连接，使其形成一个整体。巷旁支护如图6。

图6 巷旁挡矸支护图（mm）

2.4 沿空留巷位移观测及回撤方案

2.4.1 沿空留巷表面位移观测

沿空留巷表面位移观测采用十字布点法。沿空留巷表面位移测站设置不大于50 m，且成对设置，两个测点之间间距在5～10 m 范围。留巷段数据观测3 d/次。

2.4.2 沿空留巷临时支护回撤方案

巷道施工完毕后，根据留巷的稳定情况，由里向外逐渐回撤巷道内中间排单体，同时对巷道支护失效区域及时修复，剩余上下帮两排单体支护作为13上06N 工作面超前支护，不再回撤，待工作面推采时沿切顶排进行回收，减少后期超前支护劳动量。回撤后巷道如图7。

3 关键技术工艺及要求

（1）顶板补强支护。对原巷道进行补强支护是留巷成功的主要条件，原巷道支护强度完全满足采动影响前的状态，但为了满足巷道在采动影响期间及留巷后的顶板完整性，保证安全可靠，需要重新进行补强支护，提高巷道顶板完整性，使所留巷道围岩能够最大限度地发挥自身承载作用[3]。补强支护需要根据地质条件及生产情况进行确定。

（2）切缝爆破效果。切缝爆破主要是通过定向爆破，切断工作面顶板应力传递，减弱巷道顶板压力。需要施工切缝眼时，保证钻孔孔口、孔底一条线，钻孔在同一平面。双向聚能爆破预裂技术就是在爆破后改变切缝孔围岩的受力状态，切断巷道顶板与工作面回采侧的应力传递，以减轻留巷顶板的压力。

（3）挡矸支护。U 型棚支护起挡矸效果，不作为支撑顶板的主要支护材料，施工时，需要使其保证有一定的伸缩量，防止压弯。

（4）单体支护及回采的合理时间。留巷时支设的单体支护主要起到支撑巷道、承载压力、减少巷道变形的作用，故后期回采要在沿空留巷稳定，采空区侧具有一定的支撑强度后，方可撤除单体支护。需要全巷道变形及受力情况进行全面观测分析，全面评估，验证结论，保证安全后，方可实施[4]。

4 结论

13上05N 工作面已成功留巷300 m，从施工及留巷效果来看，工艺及支护参数均满足要求，后期13上06N 工作面生产前，可直接使用。此次沿空留巷的成功实施，既解除了遗留煤柱对安全生产的威胁，也提高了煤炭资源回收率，避免重新施工巷道，减少工期，确保接续合理，为以后大埋深工作面沿空留巷提供了技术依据。