黃 林

（山西壽陽潞陽長榆河煤業(yè)有限公司，山西 晉中 030000）

0 引 言

長榆河礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90 萬t/a，批準(zhǔn)開采6-15 號(hào)下煤層，目前15 號(hào)煤層基本已回采結(jié)束，計(jì)劃開采15 號(hào)下煤層。礦井歷年鑒定為低瓦斯礦井。15下煤層，煤層厚度0.67～4.5 m，平均煤厚2.39 m；煤層傾角2°～14°平均7°。15下103 工作面位于15下煤層?xùn)|采區(qū)北部，上部為15105 采空區(qū)，北鄰15下102 工作面，南面為15下105 回風(fēng)順槽，西臨東翼軌道大巷（15 號(hào)）、東翼膠帶大巷（15 號(hào)下），東臨井田邊界。工作面地面標(biāo)高+1 305 m～+1 395 m，平均1 350 m，井下標(biāo)高+1 050 m～+1 100 m，平均1 075 m。為有效解決長榆河煤礦在礦井采掘過程中所面臨的現(xiàn)實(shí)問題，在15下103 工作面進(jìn)行沿空留巷工業(yè)性試驗(yàn)。

1 切頂卸壓沿空留巷簡(jiǎn)介

1.1 切頂卸壓沿空留巷的原理

在要切頂?shù)南锏?，采用深孔爆破技術(shù)將靠近采空區(qū)一側(cè)的頂板進(jìn)行切斷，從而使巖層在巷道頂板上形成短臂梁結(jié)構(gòu)。為了保證切頂巷道的穩(wěn)定性，還要對(duì)切頂后的巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)[1-2]，如圖1（a）所示。由于巷道靠近采空區(qū)，還要采用合適的方式進(jìn)行擋矸。在擋矸完成后，在切頂一側(cè)的巷幫會(huì)形成新的幫，通過臨時(shí)支護(hù)就可以使巷道免受二次動(dòng)壓的影響，如圖1（b）所示。待巖層穩(wěn)定后，可以撤回使用的臨時(shí)支護(hù)設(shè)施，例如單體液壓支柱等。

圖1 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理

在沿空留巷過程中，應(yīng)該根據(jù)巷道所處的圍巖應(yīng)力狀態(tài)采用合適的支護(hù)方式。根據(jù)巷道與工作面的距離，可以將巷道支護(hù)區(qū)分為超前支護(hù)區(qū)、滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)以及成巷穩(wěn)定區(qū)[3]。在超前支護(hù)區(qū)內(nèi)，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)應(yīng)該超前工作面80 m 左右。在滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行巷幫擋矸防護(hù)和滯后臨時(shí)支護(hù)。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)暫定工作面至后方200 m 范圍為滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)。

暫定工作面后方200 m 范圍以外為成巷穩(wěn)定區(qū)，當(dāng)留巷渡過了周期來壓的影響，并且巷道圍巖穩(wěn)定后，拆除頂板支護(hù)措施，完成留巷。注意：上述3 個(gè)區(qū)域的劃分應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析后確定留巷分區(qū)實(shí)際長度。

1.2 沿空留巷工藝流程

基于上述切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理，提出以“切、補(bǔ)、護(hù)、支”為核心的底分層工作面沿空留巷工藝流程[4]，見表1。

表1 底分層工作面沿空留巷核心工藝流程

2 15 下103 回風(fēng)順槽切頂卸壓沿空留巷方案

2.1 超前預(yù)裂切縫

根據(jù)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理，目標(biāo)切頂高度為垮落帶內(nèi)關(guān)鍵層。當(dāng)近距離煤層上煤層回采后，目標(biāo)切頂高度主要為層間巖層內(nèi)堅(jiān)硬巖層；當(dāng)上煤層未回采時(shí)，目標(biāo)切頂高度為垮落帶內(nèi)關(guān)鍵層。由于15 號(hào)煤層已回采，15下煤層與15 號(hào)煤層層間有小于2.5 m、大于2.5 m 小于8 m、大于8 m 3 種情況，為防止切頂后巷道與上覆15 號(hào)煤層采空區(qū)溝通，實(shí)際切頂高度=層間距厚度－1.5 m。結(jié)合以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，層間距小于8 m 時(shí)采用采用密集鉆孔或水力切割進(jìn)行切頂卸壓；層間距大于8 m 時(shí)采用定向預(yù)裂爆破的方式進(jìn)行切頂卸壓。

2.1.1 定向預(yù)裂爆破卸壓

超前預(yù)裂切縫包含打鉆和爆破，施工范圍為15下103 回風(fēng)順槽切眼至停采線外15 m。為減小爆破對(duì)頂板的影響，同時(shí)保證留巷斷面，開孔位置應(yīng)盡量靠近回采幫，并結(jié)合鉆機(jī)實(shí)際情況確定開孔位置。建議開孔位置距回采幫不大于300 mm，即S=300 mm，要求所有鉆孔成排成線。

在巷道斷面圖中，鉆孔向回采幫傾斜5°，即鉆孔傾角α=85°；在巷道剖面圖中，鉆孔沿豎直方向布置，即鉆孔傾角β=90°。鉆孔直徑d= 48～50 mm，鉆孔間距L=500 mm。據(jù)后期巷道頂板巖性探測(cè)確定具體層間距大小后，再確定鉆孔深度。

2.1.2 密集鉆孔卸壓

密集鉆孔切頂與定向預(yù)裂爆破卸壓的區(qū)別是采用施工密集鉆孔的形式卸壓，而不采用炸藥爆破，即在巷道靠近回采側(cè)施工間距較小的鉆孔，待工作面采過后，巷道上方頂板及時(shí)垮落。為減小爆破對(duì)頂板的影響，同時(shí)保證留巷斷面，開孔位置應(yīng)盡量靠近回采幫，并結(jié)合鉆機(jī)實(shí)際情況確定開孔位置。建議開孔位置距回采幫不大于300 mm，即S = 300 mm，要求所有鉆孔成排成線。

在巷道斷面圖中，鉆孔向回采幫傾斜5°，即鉆孔傾角α=85°；巷道剖面圖中，鉆孔沿豎直方向布置，即鉆孔傾角β=90°。鉆孔直徑d=48～50 mm，鉆孔間距L=200 mm。根據(jù)后期巷道頂板巖性探測(cè)確定具體層間距大小后，再確定鉆孔深度。

2.1.3 水力切割卸壓

鉆孔間距初步確定1 000 mm（后期可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定），其余鉆孔參數(shù)與密集鉆孔參數(shù)相同。

2.2 切頂方式對(duì)比

15下103 回風(fēng)順槽長度約780 m，根據(jù)對(duì)密集鉆孔切頂、聚能爆破切頂以及水力切割切頂3 種方式的分析，3 種切頂方式對(duì)比如下：

1）施工切頂孔工程量對(duì)比：密集鉆孔間距 300 mm，施工鉆孔數(shù)量約2 600 個(gè)；聚能爆破孔間距500 mm，施工鉆孔數(shù)量約1 560 個(gè)；水力切割孔間距1 000 mm，施工鉆孔數(shù)量約780 個(gè)。

2）工藝復(fù)雜程度及安全角度對(duì)比，密集鉆孔工藝較簡(jiǎn)單且安全，鉆孔施工結(jié)束后即完成切頂卸壓；而聚能爆破工藝較為復(fù)雜，對(duì)于高瓦斯、突出礦井而言存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)，要求多名工人配合程度高；水力切割切頂工藝復(fù)雜，但安全性高。

結(jié)合長榆河煤礦現(xiàn)有地質(zhì)條件，考慮到水力切割切頂成本較高（據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，每米約300 元）及要求井下水壓較大等，暫不考慮這種方式切頂。因此，針對(duì)層間距小于8 m 時(shí)采用密集鉆孔的方式進(jìn)行切頂，層間距大于8 m 時(shí)采用聚能爆破方式進(jìn)行切頂。

2.3 巷旁擋矸防護(hù)

工作面后方沿空留巷巷幫擋矸防護(hù)采用“雙層金屬網(wǎng)+風(fēng)筒布+可伸縮U 型鋼+鋼筋拉桿”方式進(jìn)行擋矸，具體方案如下。

雙側(cè)金屬網(wǎng)沿爆破鉆孔連線布置：內(nèi)層（靠近采空區(qū)一側(cè)）選用φ8 mm 冷拔絲鐵絲網(wǎng)，考慮回采幫高度3 100 mm，U 型鋼截面高200 mm、鐵絲網(wǎng)與頂板網(wǎng)的搭接200 mm，因此鐵絲網(wǎng)總寬度為3 100 +200+200=3 500 mm，也可采用多部分相互搭接，搭接部分不低于200 mm。鐵絲網(wǎng)頂部外漏400 mm，其中200 mm 被U 型鋼壓覆，200 mm 與頂板網(wǎng)搭接。外層（靠巷道一側(cè)）選用鋼筋網(wǎng)，回采幫高度3 100 mm，鋼筋網(wǎng)總寬度為3 100 mm，也可采用多部分相互搭接，搭接部分不低于200 mm。鋼筋網(wǎng)頂板接頂，接底。

選擇寬3 300 mm 的礦用風(fēng)筒布，每卷長15 m，夾在2 層金屬網(wǎng)之間，相互搭接用于留巷段防漏風(fēng)，靠近頂板部分外漏200 mm，用U 型鋼壓覆。15下103 回風(fēng)順槽高3 100 mm，考慮200 mm 的底板柱窩，擋矸高度約為3 300 mm；擋矸柱采用2 根29U型鋼通過卡纜搭接組成，搭接長度不低于500 mm，因此每根29U 型鋼長度為（3 300 + 500）/2 = 1 900 mm，可伸縮U 型鋼（擋矸柱）間距600 mm。巷道擋矸平面如圖2 所示。

圖2 巷旁擋矸防護(hù)平面圖

“架棚+錨網(wǎng)”支護(hù)區(qū)域擋矸施工工藝：拆除工作面前方回采幫棚腿→過渡支架拉架→施工底板柱窩→搭接鐵絲網(wǎng)→搭接風(fēng)筒布→搭接鋼筋網(wǎng)→安裝工鋼棚棚腿→鐵絲網(wǎng)和頂板網(wǎng)搭接→過渡支架拉架→施工底板柱窩→搭接鐵絲網(wǎng)→搭接風(fēng)筒布→搭接鋼筋網(wǎng)→U 型鋼相互連接組成擋矸柱并初步上緊卡纜防止U 型鋼滑動(dòng)→架設(shè)擋矸柱→使用單體柱或千斤頂給擋矸柱施加預(yù)緊力→使用大錘錘下部U 型鋼確保擋矸柱接頂接底→擰緊卡纜螺母（150 N·m）→拆除單體柱或千斤頂→鐵絲網(wǎng)和頂板網(wǎng)搭接→拆除工作面前方回采幫棚腿→進(jìn)入下一循環(huán)。

“錨網(wǎng)”支護(hù)區(qū)域擋矸施工工藝：過渡支架拉架→施工底板柱窩→搭接鐵絲網(wǎng)→搭接風(fēng)筒布→搭接鋼筋網(wǎng)→29U 型鋼相互連接組成擋矸柱并初步上緊卡纜防止U 型鋼滑動(dòng)→架設(shè)擋矸柱→使用單體柱或千斤頂給擋矸柱施加預(yù)緊力→使用大錘錘下部U 型鋼確保擋矸柱接頂接底→擰緊卡纜螺母(150 N·m)→拆除單體柱或千斤頂→鐵絲網(wǎng)和頂板網(wǎng)搭接→過渡支架拉架→進(jìn)入下一循環(huán)。

2.4 滯后臨時(shí)支護(hù)

滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)內(nèi)留巷受礦壓顯現(xiàn)的影響會(huì)出現(xiàn)圍巖應(yīng)力增高、巷道變形等情況，通常位于工作面后方200～300 m 范圍內(nèi)，具體可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果確定。在尚無觀測(cè)數(shù)據(jù)的前提下，暫定工作面后方200 m 范圍為滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)。

在工作面后方200 m 臨時(shí)支護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，采用“單體液壓支柱+π 型梁”組成單體柱抬棚的滯后臨時(shí)支護(hù)方案。滯后臨時(shí)支護(hù)頂梁選用4 mπ 型梁，沿巷道中線方向布置，“一梁四柱”，總共布置4 排，單體柱排距800 mm/1 000 mm，間距1 000 mm，靠近采空區(qū)幫的單體柱棚距采空區(qū)幫500 mm，可采用鉸接梁或工鋼梁代替π 型梁，但應(yīng)保證單體柱密度不低于4 根/m。滯后臨時(shí)支護(hù)方案設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 滯后臨時(shí)支護(hù)斷面圖

施工要求：①單體柱必須穿鞋帶帽，初撐力不低于90 kN（11.4 MPa）；②打設(shè)叉子棚時(shí)要拉線打設(shè)，保證每一排柱成一條直線，偏差不得超過100 mm；③應(yīng)保證800 mm 以上的人行通道；④留巷巷道位于工作面后方150 m 以外，且礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示巷道表面位移趨于穩(wěn)定時(shí)可回撤滯后臨時(shí)支護(hù)（切頂排柱不回撤）。具體指標(biāo)為：巷道表面位移周變形量小于10 mm 時(shí)，可視為巷道圍變形穩(wěn)定。頂板破碎區(qū)域及斷層前后10 m 范圍內(nèi)，不回撤單體柱抬棚。

3 結(jié)束語

結(jié)合了長榆河煤礦15下103 工作面的實(shí)際情況，對(duì)工作面的切頂卸壓沿空留巷施工方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。針對(duì)層間距小于8 m 時(shí)采用密集鉆孔的方式進(jìn)行切頂，層間距大于8 m 時(shí)采用聚能爆破方式進(jìn)行切頂。工作面后方沿空留巷巷幫擋矸防護(hù)采用“雙層金屬網(wǎng)+風(fēng)筒布+可伸縮U 型鋼+鋼筋拉桿”方式進(jìn)行擋矸。在工作面后方200 m 臨時(shí)支護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，采用“單體液壓支柱+π 型梁”組成單體柱抬棚的滯后臨時(shí)支護(hù)方案。