劉 剛

(鐵法煤業(yè)集團勘測設(shè)計有限責(zé)任公司， 遼寧 調(diào)兵山 112700)

1 前言

隨著煤炭資源的不斷回采，部分礦井已進入深部開采，生產(chǎn)時地應(yīng)力、瓦斯、地質(zhì)構(gòu)造等對煤炭回采影響更為顯著[1]。深部開采礦井若采用常規(guī)的護巷煤柱留巷方式，不僅煤炭回收率低(大量護巷煤柱煤炭資源無法回采)、巷道掘進效率低下，而且在地應(yīng)力作用下煤柱容易出現(xiàn)沖擊低壓問題，給煤炭資源的安全、高效回采帶來不利影響[2-4]。切頂卸壓留巷技術(shù)通過預(yù)先施工切頂卸壓鉆孔切斷留巷段頂板與采空區(qū)側(cè)頂板間應(yīng)力傳遞路徑，從而為沿空留巷創(chuàng)造良好條件，在井下應(yīng)用逐漸廣泛[5-6]。本文以某礦80706綜采工作面為工程實例，對工作面采用的切頂卸壓留巷技術(shù)進行研究，以期在一定程度上提升深部礦井開采安全保障能力。

2 工程概況

80706綜采工作面位于7采區(qū)，開采的8#煤層具有瓦斯突出危險性，工作面設(shè)計回采長度870 m、斜長230 m。8#煤埋深平均650 m，頂?shù)装鍘r層以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖為主，地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層傾角0°～5°，具體8#煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

由于8#煤附近無保護層可采，礦井8#采用掘進底板瓦斯抽采巷進行底板瓦斯抽采的區(qū)域瓦斯，瓦斯治理耗時長、工作面巷道掘進效率低下、采掘接替局面十分緊張。因此，礦井決定采用切頂卸壓留巷技術(shù)，將80706綜采工作面回風(fēng)巷道保留下為鄰近的80708綜采工作面生產(chǎn)服務(wù)。80706回風(fēng)巷道為矩形斷面，巷寬、巷高分別為5 400 mm、2 900 mm，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式。

表1 8#煤頂板巖性參數(shù)

3 留巷技術(shù)方案

根據(jù)以往研究成果并結(jié)合鄰近礦井切頂留巷技術(shù)工藝，將切頂卸壓留巷工作劃分為4個主要環(huán)節(jié)[7]：80706回風(fēng)巷道頂板超前支護；切頂卸壓；工作面后方不穩(wěn)定區(qū)頂板及巷幫擋矸支護；工作面后方穩(wěn)定區(qū)頂板支護。

3.1 回風(fēng)巷道頂板超前支護

為了確保留巷段頂板巖層穩(wěn)定，根據(jù)以往研究成果，提出在留巷段采用恒阻錨索方式對頂板進行補強支護。采用的恒阻錨索規(guī)格為φ21.6 mm×12 000 mm鋼絞線(破斷力不小于550 kN、延伸率不小于5%)，與工作面巷間距為600 mm，并垂直頂板施工。恒阻錨索按照1 000 mm間距布置，并通過W鋼帶將恒阻錨索連接。具體巷道原支護參數(shù)及恒阻錨索布置如圖1所示。

圖1 膠運巷道恒阻錨索補強支護圖

3.2 切頂卸壓

1) 切頂卸壓鉆孔布置

切頂卸壓爆破孔沿著留巷段采空區(qū)幫布置，與巷幫間距為100 mm，孔徑為50 mm。為了降低爆破給巷道頂板支護影響，切頂卸壓爆破孔傾角設(shè)計70°。

施工爆破切頂卸壓鉆孔高度需要切斷采空區(qū)與留巷段頂板間應(yīng)力傳遞路徑，同時采空區(qū)頂板垮落后可充填開采空間，對采空區(qū)頂板巖層進行支撐。具體切頂高度為[8]

(1)

式中：MZ——切頂卸壓高度，m；

KA——冒落矸石的碎脹系數(shù)，取1.28；

H——采高，取2 m。

經(jīng)計算后求得：MZ=10.36 m。

切頂卸壓鉆孔傾角β為70°，具體求得切頂卸壓鉆孔鉆進深度L=MZ/sinβ。

計算求得L=11.02 m，具體取值為11.5 m。采用工程類比法確定切頂卸壓鉆孔布置間距設(shè)計為600 mm。

2) 裝藥結(jié)構(gòu)

切頂卸壓鉆孔內(nèi)裝入規(guī)格φ35 mm×180 mm煤礦許用二級乳化炸藥，單卷0.2 kg，不耦合裝藥方式，用煤礦許用毫秒延期電雷管引爆。切頂卸壓鉆孔深度為11.5 m，封孔長度、裝藥長度分別為3.0 m、8.5 m，單孔裝藥量Q約為6.0 kg。具體鉆孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)

3.3 工作面后方不穩(wěn)定區(qū)頂板及巷幫擋矸支護

根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果以及數(shù)值模擬結(jié)果，判定工作面后方不穩(wěn)定區(qū)范圍為工作面后方0～200 m，在此區(qū)間采用由切頂護板支架+單體+π型鋼組成的架棚并結(jié)合原有的錨網(wǎng)索支護體系對巷道頂板進行支護。

1) 頂板支護

工作面后方不穩(wěn)定區(qū)頂板支護采用ZQ4000/20.6/45切頂護板支架+DW31.5-200/100x單體柱+π型鋼組成架棚進行支護，具體如圖3所示。切頂護板支架位于留巷幫、單體支柱位于實體煤幫，與巷幫間距分別為500 mm、600 mm，設(shè)計初撐力分別為24 MPa、11.46 MPa。切頂護板支架間距為200 mm布置、單體支柱間距為500 mm布置。

圖3 不穩(wěn)定區(qū)頂板支護

2) 擋矸支護

采用“單體支柱+29U型鋼+金屬網(wǎng)”僅靠采空區(qū)幫構(gòu)成擋矸支護體系，具體如圖4所示。單體支柱均按照600 mm間距布置且下部穿柱鞋、避免單體在頂板壓力作用下下限進入巷道底板，在單體一側(cè)布置均布置29U型鋼間距。金屬網(wǎng)采用φ6 mm鍍鋅鐵絲編制，采用14#鐵絲將金屬網(wǎng)與單體、29U型鋼板綁扎牢固。

圖4 擋矸支護體系

3.4 后方穩(wěn)定區(qū)頂板支護

預(yù)計工作面后方200 m以外為穩(wěn)定區(qū)，此范圍內(nèi)采空區(qū)頂板活動不頻繁，留巷段頂板受到的壓力會顯現(xiàn)降低。為了降低留巷段支護成本，將靠近采空區(qū)幫的ZQ4000/20.6/45切頂護板支架改為DW31.5-200/100x單體，柱間距均為600 mm，安排1梁2柱形式對頂板進行支護。

為了降低采空區(qū)側(cè)漏風(fēng)量，在巷道鋪設(shè)風(fēng)筒布、噴射混凝土進行封堵。待監(jiān)測圍巖變形趨于穩(wěn)定時則在采空區(qū)幫噴射高分子材料封堵漏風(fēng)裂隙。

4 留巷效果

待80706回風(fēng)巷道實時完成切頂卸壓留巷工藝后，為了考察留巷效果，在留巷段內(nèi)每隔100 m布置2個測站對頂?shù)装?、巷幫變形量進行監(jiān)測，監(jiān)測共計耗時30 d，具體獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

兩個測站監(jiān)測范圍內(nèi)頂?shù)装?、巷幫變形量均?2.7 mm、11.2 mm以內(nèi)，頂板變形量在恒阻錨索允許范圍內(nèi)，不會給原有的錨網(wǎng)索支護體系帶來顯著影響。同時巷道圍巖變形量整體較小，可滿足巷道后續(xù)使用需要。具體留巷現(xiàn)場情況如圖5所示。

表2 圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

圖5 留巷段現(xiàn)場圖

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)80706回風(fēng)巷道圍巖條件，提出采用恒阻錨索對頂板進行超前補強，提高留巷期間頂板巖層穩(wěn)定性；采用理論計算方法確定切頂爆破孔深度為11.5 m、傾角70°，不僅可滿足采空區(qū)冒落矸石充填采空區(qū)需要而且爆破不會給巷道頂板錨網(wǎng)索支護產(chǎn)生不利影響。

(2) 在工作面后方留巷段采用ZQ4000/20.6/45切頂護板支架+ DW31.5-200/100x單體柱+π型鋼組成架棚對頂板進行支護可實現(xiàn)留巷段頂板穩(wěn)定，采用單體支柱+29U型鋼+金屬網(wǎng)組成擋矸支護可避免采空區(qū)冒落矸石進入到留巷巷道內(nèi)。

(3) 現(xiàn)場應(yīng)用后，留巷段頂板、巷幫位移量均較小，可滿足巷道后續(xù)使用需要。現(xiàn)場應(yīng)用效果顯著。