李治國(guó)

（山西沁新煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 100083）

0 引 言

目前我國(guó)沿空留巷技術(shù)已經(jīng)在礦區(qū)得到了大量試驗(yàn)推廣和應(yīng)用，在進(jìn)行沿空留巷過(guò)程中，巷旁充填墻、擋矸支護(hù)結(jié)構(gòu)等，在采空區(qū)側(cè)向懸頂壓力作用下，出現(xiàn)了變形破壞等壓力顯現(xiàn)。為降低采空區(qū)側(cè)向懸頂對(duì)沿空巷道圍巖及支護(hù)體的作用，在實(shí)際工程處理中，采用人工干預(yù)措施，通過(guò)爆破、水力切頂?shù)仁侄危瑢⒀乜障锏理敯迮c采空區(qū)頂板之間人為預(yù)置一個(gè)斷裂結(jié)構(gòu)面，切斷沿空巷道頂板與采場(chǎng)頂板之間的聯(lián)系，促使其迅速垮落，降低對(duì)沿空巷道產(chǎn)生的附加荷載作用。采取切頂技術(shù)使得沿空巷道壓力大幅下降，保證了沿空留巷的效果。當(dāng)沿空留巷頂?shù)装鍨檐浫跄鄮r、復(fù)合巖層時(shí)，在沿空巷道穩(wěn)定之前，由于受到側(cè)向支撐壓力的作用，巷道頂?shù)装鍟?huì)出現(xiàn)一定變形，如果支護(hù)方式不對(duì)癥，則容易導(dǎo)致頂板下沉、底板鼓起，最終導(dǎo)致一次沿空留巷斷面出現(xiàn)較大幅度收縮，影響巷道二次復(fù)用。本文通過(guò)在新達(dá)煤礦采空區(qū)下的11 號(hào)煤層復(fù)合頂板切頂卸壓沿空留巷工程實(shí)踐，研究了采空區(qū)下軟巖復(fù)合頂?shù)装逖乜樟粝镒冃慰刂萍夹g(shù)原理和支護(hù)方法，取得了顯著成效，可為軟巖復(fù)合頂板條件的沿空留巷技術(shù)提供有益參考。

1 概 況

沿空留巷試驗(yàn)巷道選在新達(dá)煤礦3102 工作面皮帶順槽三聯(lián)絡(luò)巷開(kāi)始往北，對(duì)應(yīng)位置為距開(kāi)口57～257 m 段約200 m 長(zhǎng)地段，作為11 號(hào)煤層切頂留巷試驗(yàn)段。11 號(hào)煤層走向?yàn)楸睎|向，傾向?yàn)闁|南向，地面標(biāo)高+1 250—+1 412 m，工作面標(biāo)高為+1 130～+1 155 m，順槽長(zhǎng)556 m，工作面切眼長(zhǎng)190 m，凈煤層厚度為1.58～1.65 m，設(shè)計(jì)采高1.56 m，埋深為95～282 m，11 號(hào)煤層傾角平均5°～7°，直接頂為泥巖，厚度2.01 m，硬度f(wàn)=1.8～2.0，老頂為砂巖、泥巖交替出現(xiàn)的復(fù)合巖層，厚度6.69 m，距離上覆9+10 采空區(qū)約13～14 m，直接底為遇水膨脹崩解性的松軟泥巖，厚度1.52 m，硬度f(wàn)=1.8～2.18，老底為中硬粉砂巖，厚6.2 m。3102 皮帶順槽掘進(jìn)長(zhǎng)度約590 m（含三聯(lián)絡(luò)巷），在57～257 m 段巷道凈寬為4.0 m（毛寬4.2 m）、凈高為2.2 m（毛高2.4 m）。

2 切頂卸壓沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)

2.1 小直徑全長(zhǎng)預(yù)裂切縫技術(shù)

原有的聚能預(yù)裂切縫技術(shù)均采用打孔管，內(nèi)徑36.5 mm，外徑42 mm，配套使用35 mm 炸藥，當(dāng)頂板軟弱或?yàn)閺?fù)合頂時(shí)，若采用連續(xù)裝藥則會(huì)出現(xiàn)藥量過(guò)大，造成頂板出現(xiàn)沖孔，并且爆破震動(dòng)會(huì)加劇軟巖頂板下沉，對(duì)頂板控制十分不利。因此需要采用集中裝藥的方式，減小裝藥量，減小爆破震動(dòng)對(duì)頂板的損傷，即每根1.5 m 管子中，裝2～3 節(jié)250 mm×φ35 mm 三級(jí)乳化炸藥，每根管子中存在0.75～1 m 長(zhǎng)空氣柱，由于巖層多變的復(fù)合巖層中存在較多結(jié)構(gòu)面和層里面，會(huì)對(duì)集中裝藥的爆破聚能切縫的擴(kuò)展起到阻斷作用，空氣柱部位對(duì)應(yīng)的巖層無(wú)法有效預(yù)裂，預(yù)裂切縫長(zhǎng)度嚴(yán)重下降，降低了切頂卸壓效果。

為解決這一難題，設(shè)計(jì)采用了小直徑全長(zhǎng)預(yù)裂聚能技術(shù)。裝藥結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Instruction of charge structure

該技術(shù)通過(guò)專利產(chǎn)品BOV-1500 型雙聚能爆破管實(shí)現(xiàn)聚能爆破切頂，該聚能管采用管壁外徑28 mm、內(nèi)徑25 mm 的小直徑管體，將35 mm 炸藥塑型成25 mm 小直徑藥體，管體兩側(cè)呈180°分布對(duì)稱的V 型凹槽，管長(zhǎng)1 500 mm，長(zhǎng)度可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況而調(diào)整。往管體內(nèi)注入的炸藥使用煤礦許用三級(jí)乳化炸藥，炸藥直徑35 mm，長(zhǎng)300 mm，重300 g，使用針管式推進(jìn)器將乳化炸藥均勻擠入聚能管凹槽內(nèi)。裝藥長(zhǎng)度4 500 mm，每個(gè)炮孔使用3 根1.5 m 長(zhǎng)小直徑雙聚能爆破管，3根1 500 mm，裝藥量按0.40 kg/m 計(jì)算，加上孔底一卷加強(qiáng)藥0.3 kg，每孔裝藥量為2.3 kg。炮孔未裝藥段全部使用黃泥填塞封堵，該方法封孔速度快、效率高、強(qiáng)度低、效果好。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)孔內(nèi)裂縫的觀測(cè)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，83%以上的鉆孔孔內(nèi)裂縫率穩(wěn)定在84.1%～92.8%，實(shí)現(xiàn)了頂板切縫的良好貫通。

2.2 巷內(nèi)高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力主動(dòng)支護(hù)技術(shù)

由于頂板為軟巖復(fù)合巖層組成的結(jié)構(gòu)，在掘進(jìn)、一次采動(dòng)、二次采動(dòng)等多次壓力作用下，軟巖復(fù)合巖層極易發(fā)生離層和裂隙化，導(dǎo)致頂板發(fā)生較大變形。因此，提出采用高強(qiáng)、高剛、高預(yù)緊力錨桿索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)。

（1） 頂板中部為拉應(yīng)力集中、兩頂角為剪應(yīng)力集中的不穩(wěn)定區(qū)，是頂板破壞失穩(wěn)的“關(guān)鍵部位”，巷道支護(hù)體首先布置在關(guān)鍵部位，控制關(guān)鍵部位的變形破壞。具體為利用斜向錨桿增加厚層泥巖頂板肩窩抗剪承載能力，布置錨索控制巷道中部破壞。

（2） 提高錨桿支護(hù)預(yù)緊力，頂板完整區(qū)適當(dāng)增加間排距，實(shí)現(xiàn)高性能、低密度支護(hù)。對(duì)于局部松軟破碎厚層泥巖頂采用W 鋼帶，配合21.8 mm錨索，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的強(qiáng)力支護(hù)，抑制離層發(fā)展。

（3） 采用W 鋼帶、拱形大托盤(pán)、鋼筋網(wǎng)等剛性護(hù)表構(gòu)件，增加支護(hù)剛性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散，形成預(yù)應(yīng)力托盤(pán)和預(yù)應(yīng)力鋼帶，加強(qiáng)護(hù)表剛度。

（4） 錨索張拉后要對(duì)錨桿進(jìn)行二次緊固，預(yù)緊力力矩必須滿足設(shè)計(jì)要求。為減小螺母與托盤(pán)間因摩擦產(chǎn)生的預(yù)緊力損失，在螺母和托盤(pán)間增加1010 尼龍減摩墊圈。提高錨桿的預(yù)緊力，有利于增加淺層錨固體的剛度，抑制淺部離層與裂隙發(fā)育。

2.3 巷旁恒阻錨索梁支護(hù)技術(shù)

在巷旁采用恒阻大變形錨索+W 鋼帶對(duì)切頂斷臂梁實(shí)施支護(hù)，一方面可以通過(guò)爆破前補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)起到減小爆破震動(dòng)引起的頂板損傷和離層現(xiàn)象的作用，另一方面，當(dāng)頂板進(jìn)入采空區(qū)，沿切縫垮落后，可以起到對(duì)切頂斷臂梁的懸吊作用。由于復(fù)合頂板沿巷旁側(cè)會(huì)發(fā)生較大變形，因此，恒阻錨索可通過(guò)自身延伸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變形讓壓，讓壓同時(shí)保持350 kN 的恒阻支護(hù)力，適應(yīng)軟巖復(fù)合頂板留巷變形的特點(diǎn)。

2.4 底板控制技術(shù)

由于11 號(hào)煤層底板為鋁制泥巖底板，自身具有吸水膨脹等軟化性質(zhì)，沿空留巷底鼓不可避免。為有效減小底鼓量，控制圍巖變形，需要在底鼓控制及防治水方面采取一定措施。

（1） 有水必治、用水必管、無(wú)水需防，防治水工作在留巷全過(guò)程中具有十分關(guān)鍵的作用。

（2） 沿空留巷過(guò)程中根據(jù)水源性質(zhì)的不同，要求轉(zhuǎn)載機(jī)冷卻水、皮帶機(jī)液壓水等，全部采用管子截流，嚴(yán)禁將水排至底板上；通過(guò)管子將相應(yīng)流水排放到移動(dòng)水箱中，排至巷道中集水坑，定期將集水坑中水抽排至大巷水渠內(nèi)。

（3） 幫側(cè)挖毛水溝，水溝內(nèi)鋪設(shè)塑料油紙，形成防滲臨時(shí)水溝，將施工用水沿防滲毛水溝排至集水溝內(nèi)，定期抽排，防止水流任意沿巷道底板漫流，長(zhǎng)期浸泡底板。

3 沿空留巷參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 切頂參數(shù)數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

以新達(dá)礦11 號(hào)煤層工作面為例，采用FLAC3D 數(shù)值軟件，建立FLAC3D 數(shù)值模型，對(duì)切頂高度和切頂角度進(jìn)行模擬分析，以確定最佳切頂高度和切頂角度。分別模擬了5、6、6.5 及7.5 m的切頂高度下巷旁圍巖應(yīng)力集中的峰值。

如圖2～圖4 結(jié)果顯示，當(dāng)切縫高度由5、6、6.5、7.5 m 逐漸增加時(shí)，巷道側(cè)向集中應(yīng)力的最大值及應(yīng)力分布均發(fā)生明顯變化，最大值由5 m 時(shí)的3.03 MPa 逐漸減小為6.5 m 時(shí)的2.94 MPa，7.5 m時(shí)又增加至3.005 MPa，綜合顯示切縫高度為6.5 m時(shí)，圍巖應(yīng)力集中度降低最明顯，因此，最佳切縫高度設(shè)計(jì)值取6.5 m。

3.2 切頂角度數(shù)值模擬分析

分別選取0、10°、15°、30°進(jìn)行對(duì)比分析，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬后，結(jié)果顯示，切縫角度傾角為0，即垂直切縫時(shí)，沿空側(cè)向頂板懸露范圍較大，巷道煤壁幫豎向集中應(yīng)力較大，采空區(qū)上方頂板垮落不充分，頂板呈現(xiàn)緩慢下沉變形。當(dāng)傾角增加為10°和15°時(shí)，沿空側(cè)向頂板懸露區(qū)域明顯減小，巷道煤壁豎向集中應(yīng)力明顯降低，沿空側(cè)向頂板垮落速度明顯加快。當(dāng)傾角增加到30°時(shí)，沿空側(cè)向頂板懸露范圍減小，但是超前應(yīng)力集中范圍明顯增大。

綜合數(shù)值模擬可知，切縫高度6.5 m、炮孔傾角15°時(shí)候，新達(dá)煤礦11 號(hào)煤層的卸壓效應(yīng)最佳，因此可確定現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)。

圖4 不同切高應(yīng)力峰值變化Fig.4 Peak stress changes with different cutting heights

圖3 不同切高圍巖應(yīng)力變化Fig.3 Stress variation of surrounding rock with different cutting heights

4 工業(yè)試驗(yàn)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)

3102 皮帶順槽斜距長(zhǎng)556 m，巷道井下實(shí)際標(biāo)高為1 132—1 148 m，巷道掘進(jìn)時(shí)沿11 號(hào)煤層頂板布置。掘進(jìn)寬4 m，掘進(jìn)高2.2 m，凈斷面8.8 m2。巷道支護(hù)采用高強(qiáng)錨桿、高強(qiáng)錨索、金屬網(wǎng)、W 鋼帶聯(lián)合支護(hù)。其中頂板采用5 根高強(qiáng)HBR400級(jí)φ20 mm×2 200 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間距0.9 m，排距0.9 m，距兩幫0.3 m 分別向肩 窩 傾 斜 15° 打 設(shè) ； 頂 板 采 用BHW-250-3-4500-5 型W 鋼帶，鋼帶寬度250 mm，厚度3 mm，長(zhǎng)度4 500 mm，單根鋼帶布置5個(gè)錨桿孔，孔眼直徑25 mm，孔中心間距900 mm。巷道幫部使用錨桿、金屬網(wǎng)、鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)。幫部采用“三花眼”布置方式，每排每幫2 支HBR400φ18 mm×1 800 mm 級(jí)左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，排距1.2 m、間距1.2 m，距頂0.2 m 處垂直巷幫打注上排錨桿，再以間距1.2 m 打注下排錨桿，在錨桿排距間（中部） 補(bǔ)打1 支錨桿（易片幫處可加設(shè)鋼護(hù)板）。頂板錨索采用SKP21.8-1 高強(qiáng)錨索，配合使用300 mm×300 mm×16 mm 打托盤(pán)，錨索長(zhǎng)4 200 mm，1 排2 支，排距1.8 m、間距1.4 m，距兩幫0.7 m 各布置1 支，均垂直頂板打注。恒阻大變形錨索直徑取21.8 mm，長(zhǎng)度取7 300 mm，異形托盤(pán)規(guī)格300 mm×300 mm×14 mm，中間孔徑100 mm。頂板錨桿施加高預(yù)緊力200 N·m，高強(qiáng)錨索初始預(yù)拉力270 kN，并進(jìn)行二次張拉不小于150 kN。頂板高強(qiáng)錨桿施加高預(yù)應(yīng)力200 N·m，幫錨桿施加高預(yù)緊力150N·m。切頂參數(shù)：設(shè)計(jì)切頂高度6.5 m，傾角15°，炮孔間距0.6 m，炮孔直徑42 mm，不耦合系數(shù)1.5，每個(gè)炮孔采用3 根1.5 m 長(zhǎng)28 mm 的小直徑BOV-1500 雙聚能爆破管，封孔2 m，單孔裝藥2.3 kg。

圖5 臨時(shí)支護(hù)和擋矸支護(hù)斷面Fig.5 Temporary support and gangue retaining support sections

沿空留巷進(jìn)入到采空區(qū)后，由于采場(chǎng)頂板尚未完全垮落和充填采空區(qū)，因此會(huì)對(duì)沿空巷道圍巖及支護(hù)體產(chǎn)生側(cè)向支撐壓力，支撐壓力遠(yuǎn)超圍巖靜壓力。為控制側(cè)向支撐壓力的作用，需對(duì)采后動(dòng)壓顯現(xiàn)區(qū)采取加強(qiáng)支護(hù)。具體參數(shù)為：采后150 m 范圍內(nèi)，采用一梁四柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，單體柱采用DW28-250/100，梁采用3.6 m 長(zhǎng)的π 型梁。四列單體柱距離切頂線位置分別為0.4、1.2、2.0 m，排距為0.8 m。巷旁切落矸石的護(hù)矸擋矸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為U25 鋼，上節(jié)長(zhǎng)1.5 m，下節(jié)長(zhǎng)2 m，搭接長(zhǎng)度不小于1 m，單體柱間距0.6 m，單體柱之間布置1根單體柱，外側(cè)掛單層鋼筋網(wǎng)。

4.2 礦壓監(jiān)測(cè)分析

圖6為3102 皮帶順槽留巷過(guò)程中頂?shù)装遄冃瘟侩S工作面推進(jìn)距離的變化規(guī)律，可以看出148 m

圖6 頂?shù)装逡平?距工作面距離關(guān)系曲線Fig.6 Curve of roof-floor convergence-distance from working face

4.3 切頂成巷效果

新達(dá)礦11 號(hào)煤層3102 工作面皮帶順槽共試驗(yàn)巷道200 m，通過(guò)2 a 的使用觀察，結(jié)果顯示：巷道頂板變形不明顯，無(wú)明顯底鼓現(xiàn)象，巷旁側(cè)切落矸石可以充滿沿空側(cè)，巷道成型情況完全滿足二次復(fù)用要求。

5 結(jié) 論

（1） 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)工作面切縫高度和切縫角度關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行的數(shù)值模擬分析，得出了隨著切縫高度增加，卸壓效應(yīng)增加；隨著切縫角度增加，卸壓效應(yīng)呈現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)再減弱的規(guī)律，得出了11號(hào)煤層卸壓效果最佳的切頂參數(shù)為切縫高度6.5 m、切縫傾角15°時(shí)，可以切斷沿空巷道頂板與采場(chǎng)頂板聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)最大程度的卸壓效果。

（2） 將理論計(jì)算和數(shù)值模擬研究成果在新達(dá)礦11 號(hào)煤層3102 工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，礦處斷面留巷位置進(jìn)入采后50 m 時(shí)，礦壓顯現(xiàn)劇烈，頂?shù)装遄冃瘟扛哌_(dá)85 mm。148 m 處斷面留巷位置進(jìn)入采后100 m 時(shí)，礦壓顯現(xiàn)劇烈，頂?shù)装遄冃瘟扛哌_(dá)80 mm。隨后，二個(gè)斷面均進(jìn)入變形穩(wěn)定期，變形量不再增加。因此，將11 號(hào)煤層沿空留巷動(dòng)壓顯現(xiàn)范圍劃定為120 m，可滿足動(dòng)壓變形控制的要求，即采后動(dòng)壓支護(hù)范圍宜控制在120 m 左右。

圖7為錨索應(yīng)力計(jì)隨綜采推進(jìn)長(zhǎng)度分析變化曲線。錨索應(yīng)力在工作面超前20 m 壓力變化不大，當(dāng)超前10 m 時(shí)壓力急劇增加。在工作面后10～80 m 的時(shí)候，動(dòng)壓明顯，80～100 m 有小幅度的變化，100 m 以后頂板不再下沉，壓力基本穩(wěn)定。從錨索整體受力值可以看出，切頂卸壓對(duì)錨索受力帶有一定的減弱作用，這也充分證明切頂卸壓無(wú)煤柱留巷的工程意義。

圖7 錨索應(yīng)力計(jì)隨綜采推進(jìn)長(zhǎng)度分析變化曲線Fig.7 Analysis curve of anchor cable stress meter with fully mechanized mining advancing length

壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：采用高強(qiáng)高剛高預(yù)應(yīng)力巷內(nèi)基本支護(hù)、巷旁恒阻錨索+W 鋼帶支護(hù)、小直徑全長(zhǎng)預(yù)裂切頂技術(shù)、底板控制技術(shù)等措施，可以解決軟巖復(fù)合頂?shù)装鍡l件下切頂卸壓沿空留巷技術(shù)難題。