薄煤层半煤岩巷道切顶成巷矿压规律研究及应用

张 磊，李伟东，汪义龙，鲁连喜，李永元，高健勋

(1.华能煤炭技术研究有限公司，北京 100070；2.铁法能源晓南矿，辽宁 铁岭 112700)

切顶卸压自成巷无煤柱开采技术利用采空区垮落矸石作为巷道一帮，实现了无煤柱和无充填体开采，在提高采区采出率的同时有效改善了巷道围岩的应力环境[1-3]。十余年来，广大学者围绕“110工法”在切顶卸压成巷机理、围岩结构特征、覆岩运动规律及关键技术等方面开展了大量的研究工作[4-10]，其中，关键技术方面的研究涉及定向聚能爆破参数设计[11-13]，切顶角度、深度和切缝孔间距等关键参数设计[14-16]，高预应力恒阻锚索支护设计[17-20]等，取得了丰硕的研究成果。

架后顶板临时支护回撤是影响成巷效果的关键环节之一，回撤过早易造成留巷巷道失稳大变形，回撤过晚会增加支护成本。顶板临时支护回撤时间多根据围岩变形情况确定，通过分析矿压规律实测数据确定回撤时机的研究相对较少；此外，为满足生产需要，薄煤层开采的回采巷道多为半煤岩巷道，先前开展薄煤层切顶卸压沿空留巷的巷道多沿顶底板布置[21-23]，针对沿煤层中部掘进、同时揭露煤层顶底板的半煤岩巷道切顶成巷研究较少。本研究以晓南矿薄煤层工作面为工程背景，煤层位于巷道中部，留巷巷道同时揭露了煤层顶底板，针对此类型半煤岩巷道提出切顶成巷技术方案并进行现场工程应用，通过监测分析巷道矿压规律评价卸压效果，确定架后顶板临时支护最佳回撤时间，以期为类似条件下切顶成巷技术的应用提供参考。

1 工程概况

晓南矿N1-1502工作面煤层厚度1.2～2.0m，平均厚度1.46m，煤层倾角3°～7°。工作面倾向长210m，开采长度1185m，采高1.4m。切顶卸压留巷巷道为N1-1502工作面运输巷，巷道为矩形断面(5600mm×3000mm)，采用锚网索联合支护形式。设计留巷长度为850m，留巷施工位置如图1所示。

N1-1502工作面伪顶由泥岩和粉砂岩组成，平均厚度0.5m；直接顶为中砂岩，平均厚度4.8m；基本顶由细砂岩、泥岩、中砂岩组成，平均厚度26.7m；煤层底板为厚2.7m的砂质泥岩。N1-1502工作面顶底板赋存情况如图2所示，工作面煤岩样物理力学性质见表1。

表1 晓楠矿煤岩样物理力学性质

2 切顶成巷技术方案

2.1 切顶成巷工艺流程

切顶成巷施工流程如图3所示，按施工时间顺序可归纳为“支、切、护、撤”四步：第一步，工作面回采前对巷道顶板进行补强加固支护；第二步，对巷道顶板实施定向预裂(回采前)，切断巷道顶板与工作面顶板的整体性；第三步，工作面回采过后，及时实施挡矸支护和留巷段顶板临时控顶支护；第四步，待留巷巷道围岩稳定后回撤临时控顶支护，完成留巷。

2.2 切顶成巷方案

切顶参数。切顶高度与采高、顶板下沉量及底鼓量有关，通过如下公式[24]确定：

式中，HC为采高，m；ΔH1为顶板下沉量，m；ΔH2为底鼓量，m；k为碎胀系数，1.3～1.5。

结合晓南矿实测经验，采空区冒落矸石碎胀系数取1.35，煤厚变化不大，不考虑底鼓及顶板下沉，工作面采高HC为1.4m时，计算得HF=4m。如图4(a)所示，留巷巷道为半煤岩巷道，煤层位于巷道中部，已揭露的0.7m厚顶板岩层会在工作面推采过后冒落充填采空区，考虑该部分顶板高度，综合理论计算和施工因素，将预裂切缝孔深度设计为HF=3.5m。切缝孔布置在距回采帮200mm处，与铅垂线成15°夹角，切缝孔间距500mm。

顶板补强支护方案。结合巷道原支护形式和参数，通过布设2列恒阻锚索对顶板加强支护，为使恒阻锚索在留巷的过程中发挥较好的悬吊作用，同时避免切顶爆破时对锚固端产生损伤，设计恒阻锚索长度较切顶高度增加1～2m，锚固端位于较稳定岩层内，恒阻锚索设计为∅21.8mm×5200mm。第1列恒阻锚索距回采帮600mm，排距900mm；第2列恒阻锚索距回采帮1500mm，排距1800mm。最终形成恒阻锚索与普通锚索交叉布置的“3-2”支护形式，如图4所示。

架后临时支护方案。工作面推采过后，采空区顶板在矿山压力作用下垮落，对留巷顶板产生“拉拽”作用，需采取临时控顶支护措施控制成巷段顶板弯曲下沉。如图5所示，架后顶板临时支护采用4列单体，切缝侧布置3列，第1列距碎石帮600mm，间距900mm；非回采帮侧布置1列，距帮1200mm；单体排距900mm，同排单体通过π型钢搭接。此外，通过U型钢搭接配合钢筋网阻隔采空区矸石。

3 矿压规律实测

3.1 矿压监测方案

在N1-1502运输巷道布设10个测站，自留巷起始点，前100m内按20m间隔布置，100～300m内按50m间隔布置，测站布设及监测内容如图6所示。

3.2 恒阻锚索受力监测分析

考虑监测过程中数据的完整性，选取3#、5#两测站分析恒阻锚索受力规律，如图7所示。从巷道顶板预裂切缝至留巷完成全过程中，恒阻锚索受力划分为四个阶段，即超前未影响段(>超前30m)、应力快速增加段、应力缓慢增加段、受力稳定段。

超前工作面30m开始，恒阻锚索受力在超前支承压力作用下开始增大。工作面推采产生的超前支承压力作用于巷道顶板，顶板弯曲下沉导致锚索受力增加。由于N1-1502工作面顶板岩层较完整，而且预裂切缝切断了基本顶以内的顶板应力传递，因此，在超前工作面30m～20m范围内，恒阻锚索受力增加缓慢。

进入超前工作面20m范围内后，随着超前支承压力接近峰值，恒阻锚索受力增加明显；工作面推采过后，顶板岩层逐渐达到其最大挠曲变形后发生断裂，采空区顶板垮落，恒阻锚索受力突增，此时恒阻锚索受力超过其恒阻值，恒阻体在套筒内滑移，恒阻锚索变形。

在滞后工作面100m，采空区顶板冒落后碎胀充填原煤层空间，采空区上方顶板弯曲下沉的空间减小，充分碎胀的矸石对顶板岩层产生支撑作用。随着矸石的逐渐压实，采空区侧支承压力开始缓慢增加，恒阻锚索受力也进入缓慢增加阶段。

在滞后工作面220m左右，采空区矸石压实，顶板岩层变形趋于稳定，恒阻锚索受力开始趋于稳定。

3.3 围岩变形规律

巷道围岩变形监测包括切缝侧、巷道中部、未切缝侧的顶底板变形量及变形速率。

3#测站巷道切缝侧、巷道中部及实体煤侧的顶板下沉量和下沉速率监测曲线如图8所示。从图8中可以看出，顶板变形主要可以分为四个阶段：工作面后0～15m，顶板下沉速率3～5mm/d，属于缓慢下沉阶段，此阶段伪顶冒落，直接顶未全部垮落；架后15～67m，直接顶垮落过程中对巷道顶板产生“拉拽”，顶板下沉速率5～10mm/d，属于快速下沉阶段；架后67～108m，采空区矸石碎胀，对顶板产生一定支撑作用，顶板下沉速率3～5mm/d，属于缓慢下沉阶段；滞后工作面距离大于108m，采空区矸石逐渐压实，顶板下沉速率0～3mm/d，顶板趋于稳定。

3#测站巷道切缝侧、巷道中部及实体煤侧的底鼓量和底鼓速率监测曲线如图9所示。从图9中可以得到该测站的底板运动规律：架后0～47m，底鼓速率3～10mm/d，属于缓慢底鼓阶段；架后47～80m，底鼓速率大于10mm/d，属于快速底鼓阶段；架后80～278m，底鼓速率3～10mm/d，属于缓慢底鼓阶段；滞后工作面距离大于278m，底鼓速率0～3mm/d，底板变形趋于稳定。

4 工程应用效果

晓南矿N1-1502工作面运输巷自2019年11月30日开始留巷，至2020年7月成功留巷815m。综合恒阻锚索受力及顶底板变形监测情况，确定在架后300m位置开始回撤临时控顶支护。留巷段内顶板下沉量较小，除局部破碎顶板下沉量达到238mm，顶板完整区段下沉量均控制在200mm以内。其中，切缝侧顶板平均下沉量142mm，巷道中部顶板平均下沉量145mm，未切缝侧顶板平均下沉量111mm。碎石帮无明显侧鼓现象，实体煤帮无明显片帮现象，满足设计、安全和使用要求，取得了较好的应用效果。

此外，晓南矿应用“110工法”后少掘进一条巷道，在减少掘进工程量及降低职工劳动强度的同时，有效缩短了接续时间，晓南矿掘进队伍少、接续紧张的问题得到了极大的缓解。

5 结 论

1)提出了适用于晓南矿薄煤层半煤岩巷道的切顶成巷技术方案，包括考虑揭露煤层顶板的切顶关键参数、恒阻锚索补强支护方案及架后临时支护方案，成巷效果良好。

2)制定了巷道矿压监测方案，根据恒阻锚索受力变化及巷道围岩变形规律，确定顶板临时支护回撤时间为架后300m。

3)恒阻锚索受力和留巷巷道顶底板变形均呈现阶段性特征，均呈现缓慢-快速-缓慢-稳定的变化趋势。