朱家店煤矿0403-Ⅰ工作面切顶卸压沿空留巷技术研究

雒艳江

(山西离柳焦煤集团有限公司 朱家店煤矿，山西 吕梁 033400)

1 工程概况

朱家店煤矿0403-Ⅰ综采工作面主采4号煤层，煤层厚度平均为1.35 m，煤层平均倾角为6～8°，煤层结构简单，含0～1层夹矸。0403-Ⅰ综采工作面位于4号煤层第一水平南翼一采区，埋深367～492 m，工作面设计推进长度为366 m，工作面长度为100 m。该工作面北邻已回采完毕的0401工作面，南邻0403-Ⅱ工作面，西至0.7 m煤厚可采边界线，东邻已回采完毕的0403工作面。0403-Ⅰ进风巷设计为矩形断面，净宽5 m，净高2.5 m，净断面积12.5 m2。0403-Ⅰ工作面井下位置如图1所示。

图1 工作面位置示意

为缓解矿井采掘接续紧张的局面，释放矿井产能，提高回采工作面回收率，延长矿井服务年限，在矿井生产接续规划的基础上，决定在0403-Ⅰ进风巷实施切顶留巷技术。

2 工作面顶板岩性窥视分析

为探明工作面顶板岩性分布情况，在0403-Ⅰ工作面进风巷留巷段布置2个钻孔窥视点。1号窥视孔位于超前工作面100 m处，2号窥视孔超前工作面300 m。窥视孔均在巷道顶板中线上垂直施工，1号窥视孔深度为13.374 m，2号窥视孔深度为14.316 m。通过成像仪分析评价软件对探测结果进行分析处理，得出0403-Ⅰ工作面顶底板岩性特征如表1所示。

表1 0403-Ⅰ工作面顶底板岩性特征

3 切顶留巷设计方案

3.1 顶板定向预裂爆破设计

预裂切顶高度的确定公式如下[1-2]：

H缝=(H煤-S1-S2)/(k-1)

(1)

式中：H缝为切顶高度，m；H煤为工作面采高，m；S1为采场顶板下沉量，m；S2为采场底板底鼓量，m；k为垮落顶板碎胀系数，取值范围1.1～1.4。

根据0403-Ⅰ工作面顶板的岩性，本设计k取1.2，0403-1工作面煤层厚度平均1.35 m，在不考虑底鼓及顶板下沉的情况下，即S1、S2的值为0 m，工作面采高取1.4 m时，切顶高度H缝设计为7 m。

0403-Ⅰ工作面切缝孔布置在巷道煤柱帮，与巷道中线相距1 950 mm，切缝孔向煤柱侧倾斜，与垂线呈15°夹角施工。初步设计每隔500 mm施工1个切缝孔，钻孔深度7 m，切缝钻孔具体布置如图2所示。

图2 切缝钻孔布置(mm)

为确定合理的爆破参数，需进行现场爆破试验。首先通过单孔爆破试验，对一次装药量及封孔长度进行确定，再隔1 000 mm进行双孔爆破，中间的空孔用来窥视观察爆破效果，若相邻炮孔裂纹未贯通，则进行间隔500 mm的双孔爆破试验，最终确定出合理的爆破方式及一次起爆孔数。具体爆破试验方案如图3所示。

图3 炮孔参数实验方案(mm)

经过1个月的预裂作业试验后，确定出每孔应安设4根聚能管，每根聚能管安设1发雷，管装药方式为4+4+3+2正向装药，共计13卷炸药，封泥长度为1.5 m。孔与孔之间采用串联方式依次起爆。装药结构如图4所示。

图4 预裂爆破装药结构示意

3.2 恒阻大变形锚索支护设计

在切顶留巷过程中，要使恒阻锚索适应顶板变形并起到悬吊作用，其长度需满足：H缝+2.0 m+外露长度(0.3 m)。结合现场实际条件初步确定恒阻锚索的长度为9.3 m，在具体施工中，根据岩性变化，及时调整支护锚索长度。

0403-Ⅰ工作面进风巷恒阻锚索补强支护密度为1根/m，布设于顶板切缝侧，且均垂直于顶板方向布置。同时增设1列现有普通锚索(D18.9-1×7-6 300)，第一列恒阻锚索距切缝钻孔500 mm(距巷道中线1.45 m)，排距为1 000 mm，钻孔长度为9 000 mm；第二列普通锚索布置在巷道中线，排距为2 000 mm。

恒阻大变形锚索直径为21.8 mm，恒阻器长500 mm，直径为64 mm，恒阻值为290～480 kN，预紧力不小于200 kN。恒阻大变形锚索托盘规格300 mm×300 mm×16 mm，中间扩孔直径70 mm±1 mm。

3.3 巷道临时支护设计

根据类似工程经验[3-4]，切顶留巷需采取不同的措施进行分区支护，根据0403-Ⅰ工作面的实际条件可划分为3个区域，分别为：工作面前方30 m的超前支护区、工作面后方0～200 m的临时支护区、滞后工作面200 m以外的成巷稳定区。

1) 超前支护区(超前工作面0～30 m)。该区域受采动影响较大，需提高支护强度。根据现有巷道支护条件，设计采用单体液压支柱配合型顶梁进行超前支护，单体支柱排距为1 000 mm，π型钢梁排距为1 000 mm。进风巷采用“一梁三柱”支护形式，支护长度应大于30 m，π型钢梁需接顶严实。巷道支护断面如图2所示。

2) 架后临时支护区(滞后工作面0～200 m)。工作面回采后，顶板岩层回转下沉产生的动压对于巷道的稳定性影响较大，因此，在滞后工作面0～200 m范围内也需加强支护。

根据朱家店煤矿具体要求并结合矿井生产条件，目前架后临时支护主要采用“一梁四柱”+29U型钢进行滞后工作面临时支护。

切顶留巷时采空区内的矸石会蹿入巷道，造成安全隐患，为此，设计采用“U型钢+单体支柱+铺设钢筋网”的方式进行联合挡矸支护，U型钢支护排距为500 mm。

巷道平均高度按照2.7 m计算，局部在3 m左右，因此，U型钢下节长度统一设计为1.7 m，上节长度设计3个规格：1.8 m、2 m、2.2 m。一组U型钢中间搭接长度为0.8～1.0 m，搭接部分用两个卡缆锁住，U型钢之间用连接板连接。U型钢之间连接设计图如图5所示，架后临时支护护断面如图6所示。

图6 0403-Ⅰ工作面进风巷架后临时支护图(mm)

3) 成巷稳定区(滞后工作面200 m以外)。该区域巷道基本不受采动影响，根据矿压监测结果，当巷道围岩变形量及锚杆锚索受力无大幅度变化时，可逐步回撤巷内临时支护的单体支护，保留巷帮进行挡矸支护的单体支柱及U型钢。为防止采空区漏风，还需对碎石帮侧进行复喷矿用堵漏材料处理，累计喷射厚度不低于10 mm。

3.4 应用效果分析

现场实施该方案后，对巷道的切顶效果进行观测，巷道采空区侧的顶板基本随采随落，未出现明显的悬顶现象，垮落矸石基本可以充满采空区，对上覆岩层起到支撑作用。在滞后工作面200 m后的巷道变形速率较小，基本达到稳定状态，其顶底板最大移近量为210 mm，两帮最大移近量为115 mm，满足工作面正常安全生产需求。

4 结 语

根据朱家店煤矿0403-Ⅰ工作面的工程地质条件，结合切顶卸压技术原理及工作面顶板岩性窥视分析，确定出合理的切顶深度为7 m，切顶角度为15°。通过现场试验对装药方式及装药量等爆破参数进行了确定，并对恒阻大变形锚索支护及巷道临时支护进行了设计。由现场观测结果可知，实施该技术后，留巷段顶底板最大移近量为210 mm，两帮最大移近量为115 mm，取得了良好的应用效果。