申斌學(xué)， 周宏范， 朱磊， 吳玉意， 秋豐岐， 王國(guó)普， 郭林， 黃劍斌

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；3.中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

留煤柱護(hù)巷作為一種常見(jiàn)的工作面回采巷道護(hù)巷方式在井工開(kāi)采中得到了廣泛應(yīng)用，為煤炭開(kāi)采快速發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。隨著礦井開(kāi)采深度不斷增加，護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度加大，造成煤炭資源嚴(yán)重浪費(fèi)；同時(shí)伴隨著工作面不斷回采，護(hù)巷煤柱上方會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道嚴(yán)重變形、難以維護(hù)，影響正常生產(chǎn)[1-3]。沿空留巷作為一種有效的護(hù)巷方式，不僅取消了工作面之間留設(shè)的區(qū)段煤柱，大大提高了煤炭資源采出率，還具有降低巷道圍巖應(yīng)力、減少巷道掘進(jìn)量、緩解采掘緊張關(guān)系及防止瓦斯超限等優(yōu)勢(shì)[4-8]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者已在沿空留巷技術(shù)方面取得較多成果。何滿潮等[9]基于短臂梁理論與無(wú)煤柱自成巷技術(shù)，通過(guò)對(duì)中厚煤層復(fù)合頂板條件下的工作面回采巷道進(jìn)行切頂卸壓，有效降低了留巷側(cè)一定范圍內(nèi)液壓支架工作阻力及實(shí)體煤幫垂直應(yīng)力。楊曉杰等[10]針對(duì)煤礦大埋深破碎頂板條件下沿空留巷難題，提出了采用定向預(yù)裂爆破技術(shù)輔之以恒阻大變形錨索對(duì)留巷段進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，保證了沿空留巷的穩(wěn)定性。鄭忠友等[11]以“砌體梁”結(jié)構(gòu)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)采用采割一體機(jī)成巷技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)掘巷、切頂卸壓留巷技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱。何東升等[12]對(duì)中厚煤層采用柔模混凝土沿空留巷技術(shù)，通過(guò)改善沿空留巷施工工藝，提高了圍巖控制效果。上述研究成果極大地促進(jìn)了沿空留巷技術(shù)的快速發(fā)展，但我國(guó)開(kāi)采和地質(zhì)條件受地區(qū)影響千差萬(wàn)別，尤其兩淮地區(qū)的開(kāi)采條件較其他地區(qū)更復(fù)雜，該地區(qū)進(jìn)行沿空留巷時(shí)，受礦井埋深大和頂板條件復(fù)雜的影響，導(dǎo)致沿空留巷頂板變形強(qiáng)烈，且煤幫易擠出和底鼓嚴(yán)重，嚴(yán)重阻礙了沿空留巷技術(shù)在兩淮地區(qū)的推廣及應(yīng)用。本文以中煤新集能源股份有限公司新集一礦為工程背景，針對(duì)深井復(fù)合頂板條件開(kāi)展了切頂卸壓柔模墻支護(hù)沿空留巷技術(shù)研究，以期為兩淮地區(qū)類似條件的礦井提供參考。

1 工程概況

新集一礦360804綜采工作面是3608采區(qū)的首個(gè)回采工作面，工作面沿走向和傾向方向的長(zhǎng)度分別為1 530 m和180 m，煤層厚度為2.0～4.6 m，平均厚度為2.94 m，煤層傾角為3～26°，平均傾角為11°。工作面外段軌道運(yùn)輸巷采用沿空留巷技術(shù)，巷道布置如圖1所示。

圖1 巷道布置

開(kāi)采的8號(hào)煤層結(jié)構(gòu)單一，以亮煤為主，其埋藏深度為670～785 m，屬于深井開(kāi)采。8號(hào)煤層頂板屬于復(fù)合型頂板，頂板巖層為砂泥巖互層，巖層穩(wěn)固性一般，在構(gòu)造發(fā)育地段易垮落，厚度為9.4～20.5 m，平均厚度為14.0 m；底板為砂質(zhì)泥巖，厚度為6.62～9.2 m，平均厚度為7.91 m。

2 深井復(fù)合頂板切頂卸壓柔模墻支護(hù)沿空留巷技術(shù)原理

深井復(fù)合頂板切頂卸壓柔模墻支護(hù)沿空留巷技術(shù)原理如圖2所示。在超前工作面靠近回采側(cè)沿空留巷頂板肩角處施工1組爆破孔，在工作面回采前采用定向爆破技術(shù)對(duì)巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂卸壓，減少作用在巷道頂板懸臂梁上的應(yīng)力，同時(shí)降低懸臂梁回轉(zhuǎn)的變形壓力，從而在一定程度上減少作用在巷旁和巷內(nèi)支護(hù)體上的應(yīng)力，從根本上改善巷道圍巖力學(xué)環(huán)境。隨著工作面不斷回采，每滯后工作面煤壁一定距離，緊跟支架后方巷旁充填區(qū)域掛設(shè)柔模模板，將石子、沙子、水泥及添加劑按一定比例制成混凝土漿液泵送至柔模模板中，待其凝固后將形成具有一定強(qiáng)度的柔模墻。該柔模墻作為沿空留巷新的巷幫，不但可對(duì)頂板起到強(qiáng)力支撐作用，減少頂板下沉，還可防止采空區(qū)瓦斯涌入巷道，保證工作面生產(chǎn)安全。

圖2 深井復(fù)合頂板切頂卸壓柔模墻支護(hù)沿空留巷技術(shù)原理

3 支護(hù)工藝

3.1 巷道基本支護(hù)方式

360804綜采工作面軌道運(yùn)輸巷沿空留巷將受2次采動(dòng)影響?？紤]到巷道壓力與變形均較大，同時(shí)還需兼顧巷道運(yùn)輸與通風(fēng)要求，因此將沿空留巷的掘進(jìn)斷面設(shè)計(jì)為梯形斷面(凈面積為20.8 m2)，采用“錨桿+錨索+鋼帶+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)沿空留巷進(jìn)行支護(hù)，如圖3所示。

(a)巷道斷面支護(hù)

頂板錨桿采用φ22 mm×2 500 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，設(shè)計(jì)錨固力不小于100 kN，并與φ10 mm鋼筋焊制成的H型鋼帶配合支護(hù)；錨索采用φ21.8 mm×7 200 mm的強(qiáng)力鋼絞線錨索，間排距為1 200×1 600 mm，設(shè)計(jì)錨固力不小于140 kN，1排5根錨索，并采用W型鋼帶配合支護(hù)。非回采幫錨桿規(guī)格、間排距及錨固力與頂板錨桿相同，配合H型鋼帶；同時(shí)在非回采幫中部打設(shè)1根φ21.8 mm×4 200 mm的鋼絞線錨索，排距為1 600 mm，錨固力同頂板錨索一致?；夭蓭湾^桿規(guī)格與錨固力同頂板和非回采幫錨桿均相同，間排距為700 mm×800 mm，配合H型鋼帶，但不打錨索。頂板、非回采幫與回采幫均使用φ6 mm圓鋼制作的長(zhǎng)度為1 200 mm、寬度為2 000 mm的金屬網(wǎng)，網(wǎng)格大小為100 mm×100 mm。

3.2 充填區(qū)域支護(hù)方式

為能夠安全有效地對(duì)巷旁待充填區(qū)域的柔模墻進(jìn)行施工，防止頂板冒落，需采用10號(hào)鐵絲編織的雙層菱形網(wǎng)對(duì)巷旁待充填區(qū)域的支架前方提前進(jìn)行鋪網(wǎng)，以控制和加強(qiáng)其上方頂板，菱形網(wǎng)通過(guò)施工架間錨索(規(guī)格φ21.8 mm×7 200 mm)固定，錨索間距為1 600 mm。

巷旁待充填區(qū)域采用“木點(diǎn)柱+金屬網(wǎng)+擋矸板”聯(lián)合擋矸方法。擋矸板由2塊高度為1.6 m、長(zhǎng)度為4.8 m、厚度為50 mm的鋼板拼接而成，其連接在刮板輸送機(jī)機(jī)尾側(cè)支架上，并隨著工作面推進(jìn)不斷前移；金屬網(wǎng)預(yù)先鋪設(shè)在支架上方，隨支架的移動(dòng)自動(dòng)下落，并與擋矸板緊貼；擋矸板每被支架拉移1個(gè)步距，需緊貼擋矸板靠巷道一側(cè)施工1根木點(diǎn)柱，木點(diǎn)柱間距為800 mm。

3.3 巷旁支護(hù)方式

采用柔模墻對(duì)巷旁進(jìn)行支護(hù)，360804工作面軌道運(yùn)輸巷寬度為5 200 mm，沿空留巷寬度為4 000 mm，柔模墻寬度為1 000 mm、高度為4 400 mm，每個(gè)柔模模板長(zhǎng)度為3 000 mm，材料為C30混凝土。為提高柔模墻整體強(qiáng)度，防止墻體橫向變形嚴(yán)重，在柔模模板上預(yù)留錨桿孔，在澆筑混凝土之前應(yīng)先將錨桿預(yù)先穿入孔中，然后在錨桿兩端分別裝上托板及螺母。橫向錨桿孔的間排距為750 mm×750 mm、直徑為22 mm，在高度方向配合H型鋼梁進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，這樣沿每個(gè)柔模模板共需20根錨桿和4根H型鋼梁來(lái)控制柔模模板的橫向變形，另外，距柔模模板頂部500 mm的部位設(shè)置1個(gè)直徑為250 mm的泵漿口。

3.4 巷內(nèi)臨時(shí)支護(hù)方式

為保證巷道完整性及穩(wěn)定性，沿空留巷應(yīng)至少在超前工作面50 m和滯后工作面100 m的范圍內(nèi)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，采用“單元支架+單體液壓支柱+鉸接頂梁”的支護(hù)方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。在超前工作面巷道內(nèi)(圖4)，單元支架靠非回采幫布置，間距為2 500 mm，回采過(guò)程中其由超前支護(hù)自動(dòng)變?yōu)闇笾ёo(hù)；單體液壓支柱和鉸接頂梁布置在回采幫側(cè)，距回采幫煤壁1 000 mm，間距為1 000 mm，隨著工作面回采逐漸將其移至工作面后方進(jìn)行滯后支護(hù)。在滯后工作面巷道內(nèi)，單元支架支護(hù)方式與超前工作面一致；單體液壓支柱和鉸接頂梁布置在距柔模墻600 mm位置處，間距為1 000 mm。

圖4 沿空留巷超前臨時(shí)支護(hù)

單元支架作為工作面超前及滯后支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度高，護(hù)頂效果好，同時(shí)采用單軌吊由后往前搬運(yùn)單元支架循環(huán)支撐頂板，頂板只需支撐1次，避免了傳統(tǒng)的反復(fù)支撐擾動(dòng)頂板問(wèn)題。

4 預(yù)裂爆破切頂卸壓施工工藝

4.1 頂板預(yù)裂切頂高度及角度

頂板預(yù)裂切頂高度一般通過(guò)下式確定：

H=(M-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(1)

式中：H為頂板預(yù)裂切頂高度，m；M為煤層采高，m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)，1.3～1.5，本文取1.35。

在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，取煤層采高為2.94 m，計(jì)算得理論卸壓爆破高度為8.4 m，實(shí)際按照8.5 m施工。為便于施工與頂板垮落，設(shè)計(jì)卸壓孔距巷道回采幫200 mm，與鉛垂線夾角為10°(偏向采空區(qū)側(cè))，卸壓孔間距為500 mm。

4.2 頂板預(yù)裂爆破工藝參數(shù)

頂板預(yù)裂爆破采用雙向聚能爆破技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂切縫。該技術(shù)將聚能管與炸藥組合，根據(jù)確定好的切頂關(guān)鍵參數(shù)調(diào)整聚能方向，使其與頂板預(yù)裂方向保持一致，引爆之后產(chǎn)生的大部分能量將沿著聚能方向產(chǎn)生聚能效應(yīng)，并對(duì)在聚能方向上的頂板巖層產(chǎn)生張應(yīng)力，從而使預(yù)裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預(yù)裂切縫面。雙向聚能裝置為特制的定向聚能爆破管，管外徑為37 mm、內(nèi)徑為32 mm、長(zhǎng)度為1 200 mm。爆破使用礦用三級(jí)水膠炸藥，藥卷規(guī)格為φ27 mm×400 mm，每卷0.33 kg。

5 應(yīng)用效果

5.1 預(yù)裂爆破切頂卸壓效果

在正式聚能爆破前，應(yīng)先進(jìn)行單孔試驗(yàn)，以確定裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥量及封孔長(zhǎng)度。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位單孔試驗(yàn)，最終確定每個(gè)爆破孔使用9卷炸藥，裝藥及封孔結(jié)構(gòu)如圖5所示。爆破采用導(dǎo)爆索和雙電雷管起爆，起爆方式為正向起爆，每個(gè)爆破孔間距為1 000 mm。

采用雙向聚能爆破技術(shù)在超前工作面對(duì)沿空留巷頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破后，采用鉆孔窺視儀對(duì)孔內(nèi)裂縫擴(kuò)展情況進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如圖6所示。

(a)4.275 m爆破效果

從圖6可看出，孔內(nèi)不同高度均可觀測(cè)到較明顯的2條裂縫，表明爆破切頂效果良好。

5.2 沿空留巷效果

現(xiàn)場(chǎng)采用切頂卸壓柔模墻支護(hù)沿空留巷技術(shù)后的成巷效果如圖7所示，可看出頂板支護(hù)較為完好，未出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，沿空留巷效果良好。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)沿空留巷效果，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)沿空留巷頂板離層量及圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。頂板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在超前工作面20 m的位置，其中淺部基點(diǎn)深度為5 m，深部基點(diǎn)深度為10 m，以便記錄巷道頂板不同深度處離層發(fā)育的全過(guò)程；圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在沿空留巷起始位置處，采用十字交叉法對(duì)工作面推過(guò)一定距離后沿空留巷圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖7 沿空留巷效果

5.2.1 巷道頂板離層量

巷道頂板離層量曲線如圖8所示?？煽闯觯孩?淺部基點(diǎn)位置處離層量自超前工作面11 m開(kāi)始趨于穩(wěn)定，并一直保持在7 mm。② 深部基點(diǎn)位置處離層量在超前工作面14 m至滯后工作面15 m范圍內(nèi)經(jīng)歷了快速變化階段，離層量累計(jì)增加了15 mm；在滯后工作面15～40 m范圍內(nèi)，離層量增速減緩，離層量累計(jì)增加了4 mm；滯后工作面40 m后離層量開(kāi)始趨于穩(wěn)定，且達(dá)到最大值19 mm。

圖8 巷道頂板離層量曲線

5.2.2 巷道圍巖變形量

巷道圍巖變形量曲線如圖9所示?？煽闯觯孩?巷道頂板最大下沉量為53 mm，占巷道頂?shù)装遄畲笠平康?2%，而巷道最大底鼓量為380 mm，占巷道頂?shù)装遄畲笠平康?8%，因此整個(gè)巷道頂?shù)装遄冃沃饕怯傻坠囊稹＂?柔模墻最大移近量為106 mm，占巷道兩幫最大移近量的22%，而巷道煤幫最大移近量為381 mm，占巷道兩幫最大移近量的78%，因此整個(gè)巷道兩幫變形主要是由煤幫變形引起。③ 在滯后工作面0～85 m范圍內(nèi)，巷道圍巖整體變形量快速增長(zhǎng)；滯后工作面超過(guò)85 m后，巷道圍巖變形開(kāi)始趨于穩(wěn)定，此時(shí)頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e為430，487 mm，整體變形量較小，在下一個(gè)工作面回采時(shí)滿足復(fù)用要求。

(a)巷道頂?shù)装逡平?/p>

6 結(jié)論

(1)根據(jù)新集一礦360804綜采工作面實(shí)際地質(zhì)開(kāi)采條件，確定了預(yù)裂爆破切頂卸壓+柔模墻支護(hù)的沿空留巷技術(shù)方案，可有效降低沿空留巷頂板應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)沿空留巷頂板的強(qiáng)力支護(hù)。

(2)采用雙向聚能爆破技術(shù)在超前工作面對(duì)沿空留巷頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破后，位于爆破孔不同高度處均出現(xiàn)了2條較明顯的裂縫，表明爆破切頂效果良好。

(3)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)沿空留巷后頂板離層量及圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：巷道頂板淺部最大離層量為7 mm，深部最大離層量為19 mm，巷道頂板淺部和深部離層量均不大，巷道頂板支護(hù)較為完好；圍巖變形量在滯后工作面85 m以后開(kāi)始趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的頂?shù)装逡平繛?30 mm，兩幫移近量為487 mm，巷道圍巖變形在允許范圍內(nèi)，留巷效果良好。