馮瑞云

(山西潞安集團左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司，山西晉中032600)

薄煤層采空區(qū)內(nèi)切眼原位留巷技術(shù)研究

馮瑞云

(山西潞安集團左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司，山西晉中032600)

Roadway Retaining Technology at Open-off Cut Gob in Thin Coal-seam

采空區(qū)內(nèi)切眼原位留巷因其斷面較大、受動壓影響無周期性而不同于傳統(tǒng)留巷。五里堠煤業(yè)采用雙“U”通風(fēng)，切眼留巷的方案為:掘進時高預(yù)應(yīng)力一次支護，保持頂板完整性;工作面回采后進行木柱和料石墻巷旁支護;最后進行爆破切頂，減小應(yīng)力集中。井下試驗表明，留巷過程中切眼經(jīng)受強烈動壓影響，頂板下沉450mm，外幫移近300mm，圍巖完整性較好，留巷取得成功。

薄煤層;切眼留巷;一次支護;巷旁支護;爆破切頂

沿空留巷技術(shù)主要目的是解決高瓦斯礦井的通風(fēng)問題，但由于其具有提高煤炭采出率、降低掘進率等優(yōu)點，受到越來越多的重視。留巷方法和技術(shù)也逐步趨于多樣化和快捷化［1－2］。

傳統(tǒng)沿空留巷技術(shù)特點為:在滯后工作面一定距離的采空區(qū)靠巷道一側(cè)進行高水材料等充填形成條帶，充填帶成為承載主體。沿空留巷的圍巖變形是工作面回采超前及滯后支承壓力和沿傾向支承壓力的疊加所致，主要壓力來自工作面推進引起的頂板破斷、失穩(wěn)、沉降，巷道變形與工作面來壓同步［3］。

五里堠煤業(yè)為實現(xiàn)兩進兩回通風(fēng)，且由于采掘銜接緊張，只能考慮切眼原位留巷的方式實現(xiàn)。

現(xiàn)階段比較常見的留巷方式為沿采空區(qū)留巷，主要為多次服務(wù)的工作面巷道。經(jīng)搜索，發(fā)現(xiàn)關(guān)于切眼原位留巷方面的文獻非常少見。切眼留巷的特點與巷道留巷有一定的不同:首先，切眼所受的動壓影響不是周期性的，而是有一個集中影響的過程，待工作面遠(yuǎn)離切眼一定距離后，工作面的周期性來壓對切眼的穩(wěn)定性影響很小;其次，切眼的斷面相對巷道較大，受動壓影響后，影響因素較多，穩(wěn)定性更加不可控。

1 五里堠煤業(yè)地質(zhì)條件及留巷特點

采空區(qū)內(nèi)切眼原位留巷技術(shù)難度較大。首先，必須保證工作面回采后頂板不垮落，這取決于對切眼頂板采取合理加固措施，才能確保頂板不垮;其次，工作面回采后，礦壓顯現(xiàn)驟增，頂板巖層將整體沉降，頂板的下沉將很難控制。只有采用有效的巷旁支護方式，具有較強的承載能力，才能保證留巷的空間［4］。

近幾年，我國煤礦錨桿支護技術(shù)發(fā)展非?？?，高強度錨桿、錨索等支護材料，高預(yù)應(yīng)力、強力支護技術(shù)的出現(xiàn)，為各種類型巷道提供了有效的支護方法。高預(yù)應(yīng)力、強力支護技術(shù)的最大特點是注重預(yù)應(yīng)力及其擴散效果，能夠充分發(fā)揮圍巖的自承能力，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性［5］。因此，高強錨桿、錨索支護為采空區(qū)內(nèi)切眼原位留巷創(chuàng)造了良好條件。

五里堠煤業(yè)公司為高瓦斯礦井，為實現(xiàn)兩進兩回通風(fēng)，計劃采用采空區(qū)內(nèi)切眼原位留巷的方式實現(xiàn)，該方法的主要特點是:不用留設(shè)傳統(tǒng)一切及二切之間的寬煤柱，提高資源采出率;不用專門掘進外切眼，相應(yīng)的外圍巷道掘進量也減少，大大減小了掘進量。

切眼留巷的030103工作面開采的3號煤層厚度約1.13m，位于山西組下部，屬結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可采煤層?；卷敒樯皫r、砂質(zhì)泥巖、泥巖及炭質(zhì)泥巖，厚12.74～27.54m，砂巖灰白色－黑灰色，細(xì)－中粒，厚層狀，成分以石英、長石為主，含暗色礦物，層理面含炭質(zhì)薄膜及炭化物，夾煤線，泥質(zhì)、鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)，致密、堅硬、磨圓度中等，分選性差，微波狀層理發(fā)育;砂質(zhì)泥巖為深灰色、黑色，夾炭質(zhì)泥巖層，水平層理，含植物化石;炭質(zhì)泥巖為深灰色，含植物化石。直接頂為砂質(zhì)泥巖，泥巖及灰質(zhì)泥巖，厚2.17～15.19m，泥巖、砂質(zhì)泥巖和灰質(zhì)泥巖均為深灰色，含植物化石;砂巖灰白色－灰黑色，厚層狀，細(xì)－中粒，含長石和暗色礦物，鈣質(zhì)和泥質(zhì)膠結(jié)，分選性差，磨圓度中等，層理面含大量炭粒，斜層理發(fā)育，具有黑色條紋和泥質(zhì)條帶。偽頂為砂質(zhì)泥巖，厚0.2～0.5m，灰黑色，密、性脆，含植物化石。底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖及砂巖，厚2.5～6m，砂巖灰白色－黑灰色，細(xì)－中粒，石英、長石砂巖，含暗色礦物，分選性和磨圓度好;砂質(zhì)泥巖為灰黑色，密、性脆，破碎呈棱角狀;泥巖為黑灰色，含植物化石。

030103工作面實際埋深約230m，根據(jù)地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果，頂板以砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖為主，圍巖單軸抗壓強度整體分布較均勻，頂板以上10m范圍內(nèi)平均單軸抗壓強度為35.12MPa。煤幫鉆孔10m范圍內(nèi)巖體平均單軸抗壓強度為7.09MPa;垂直主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力分別為5.73 MPa，11.18 MPa和5.98 MPa，最大水平主應(yīng)力方向為N22.11°W，為典型的構(gòu)造型應(yīng)力場。030103工作面走向為南北向，頂?shù)装宸€(wěn)定性受水平應(yīng)力影響較大。

030103工作面切眼長151.5m，斷面寬×高為6m×1.8m，沿煤層底板掘進，挑頂0.6～0.7m。經(jīng)測算通風(fēng)能力并考慮圍巖的大變形，切眼留巷寬度達(dá)到3.8m即可滿足要求。

2 五里堠煤業(yè)原位切眼留巷方案

五里堠煤業(yè)屬于高瓦斯礦井，為有效解決030103綜采工作面回采過程中瓦斯易超限的問題，決定采用兩進兩回雙“U”通風(fēng)方式，如圖1所示。因此，工作面開切眼必須在工作面開始推進后原位留巷。

圖1 030103工作面雙“U”通風(fēng)

切眼留巷的總體方案為:首先，切眼初次開挖時采取高預(yù)應(yīng)力一次支護，以最大限度地保持切眼圍巖的完整和穩(wěn)定性;再次，工作面開始推進后，采取巷旁料石砌墻支護，實現(xiàn)強支撐;最后，待工作面推進至留巷外區(qū)域后進行爆破切頂作業(yè)，減小壓力集中對切眼的影響，并在必要時對切眼進行錨索支護補強。

2.1 巷內(nèi)高強錨桿錨索一次支護

掘進及開始回采前保證圍巖的完整性和穩(wěn)定性是沿空留巷的重要前提，只有圍巖能保持一定的完整和穩(wěn)定才能繼續(xù)留巷。如果在工作面回采前圍巖就出現(xiàn)松散、墜包等現(xiàn)象，留巷過程中可能會出現(xiàn)較大的頂板垮落。高預(yù)應(yīng)力一次支護不但大大改善圍巖的受力狀態(tài)，更能控制錨固區(qū)內(nèi)圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴容變形與破壞，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性。

因此，切眼掘進時采用高預(yù)應(yīng)力一次支護，主要支護方案為:頂板采用20mm－M22－2400mm左旋螺紋鋼錨桿，樹脂加長錨固，配合高強度拱形托板和鋼筋托梁，間排距為850mm×900mm，預(yù)緊扭矩不低于300N·m，錨索材料為18.9mm，1!7股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度7300mm，邁步式布置，錨索間距1000mm，排距1800mm，采用2400mm長的 12號槽鋼為托梁，配合使用100mm×90mm×10mm的平板錨索墊片，預(yù)緊力不低于200kN;采空區(qū)幫錨桿規(guī)格為20mm－M22－2000mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配合高強度拱形托板和鋼筋托梁，間排距為900mm×900mm，預(yù)緊扭矩不低于300N·m，工作面幫使用 18mm－1800mm玻璃鋼錨桿，配合木托板，間排距為900mm×900mm。頂板支護見圖2所示。

圖2 030103切眼頂板錨桿支護布置

2.2 巷旁加強支護

巷旁加強支護是沿空留巷的關(guān)鍵，合理的巷旁支護應(yīng)適應(yīng)頂板巖層移動的特征，既要有較大的變形量，又要有較大的后期承載能力。因此，采用巷旁木柱加砌墻支護的方式，即工作面開始回采后，首先打設(shè)兩排木柱，然后在木柱中間砌筑料石墻。木柱的支護除了起到一定的切頂作用外，主要是能適應(yīng)早期頂板的大變形，待變形開始趨于穩(wěn)定時，料石墻永久支護能產(chǎn)生較大的承載能力。主要流程及參數(shù)為:

(1)030103工作面開始回采后，工作面推進1.8m和5.4m后，分別在工作面切眼打設(shè)1排圓松木柱進行支護，木柱間距900mm。支護圓木打設(shè)要迎山有力，穿鞋戴帽，打正打直。木柱要打設(shè)成一條直線，木柱要與頂網(wǎng)相連。支護木柱規(guī)格:圓松木180mm×1800mm。

(2)工作面推進5.4m打設(shè)完成第2排支護柱后，進行料石永久支護，支護厚度保證1.2m。每隔4m在料石墻頂部留瓦斯抽放軟管孔。料石墻永久支護規(guī)格:1.8m(高)×1.2m(寬)×150m (長)。料石墻間隔3m加筑400mm寬料石承重墻。承重墻料石墻中部 (承重墻除外)填注200mm厚的黃土夾層。料石規(guī)格:300mm(長)×200mm (寬)×200mm(高)。水泥型號42.5R，砂漿為二區(qū)中砂，比例為1∶3。料石墻砌筑完成后，為防止采空區(qū)瓦斯溢出，應(yīng)對料石墻進行噴涂，噴涂材料為代混凝土樹脂。

切眼留巷示意圖見圖3，料石墻砌筑剖面示意圖見圖4。

圖3 030103切眼留巷

圖4 料石墻砌筑剖面

2.3 強制爆破切頂

頂板巖層的懸空、斷裂、垮落等，直接關(guān)系到頂板巖層中積聚彈性能的釋放和向煤巖體傳遞應(yīng)力和彈性能的能力，甚至關(guān)系到煤巖體是否會受到強烈動壓的影響。動壓的作用將會加劇礦壓顯現(xiàn)，圍巖的破壞會更加劇烈。解決頂板懸頂最有效的方法就是爆破斷頂，減少懸頂面積，降低和均化應(yīng)力集中［6］。通過在料石墻巷旁支護外按一定間距向工作面推進方向頂板鉆孔進行爆破，人為地切斷頂板，促使采空區(qū)頂板規(guī)則性冒落，控制或削弱頂板來壓強度和沖擊破壞性。

030103綜采工作面回采后，為使采空區(qū)頂板及時垮落，減小巖層壓力的持續(xù)積聚以及對切眼穩(wěn)定性和變形的影響，確保切眼沿空留巷不被破壞及回采工作的正常進行，采用拉槽式人工強制放頂方式對030103綜采工作面采空區(qū)進行初次放頂。工作面頂板完好處每隔2組支架打1個炮眼，頂板破碎處根據(jù)實際情況布置炮眼。單眼裝藥量為800g。炮眼直徑32mm，深度1800mm。炮眼與頂板成60°角打設(shè)，傾向于支架一側(cè)。炮眼與切頂柱距離500mm。炮眼布置平面圖見圖5，剖面圖見圖6。

圖5 切頂爆破炮眼布置平面

圖6 切頂爆破炮眼剖面

3 井下試驗及效果驗證

以上整體方案在030103工作面進行了試驗，試驗效果良好，在切眼中布置表面位移觀測站，以捕捉切眼表面在留巷過程中的變化量，變形量如圖7所示。

圖7 切眼表面位移

礦壓監(jiān)測表明工作面開始回采后，隨著巖層壓力的逐漸積聚，切眼變形逐漸變大，但在進行砌墻和爆破切頂后切眼圍巖變形速度減緩，變形趨于穩(wěn)定，最終的頂板下沉量近450mm，外幫最大移近量近300mm?？傮w看，切眼變形得到了很好地控制，由于高預(yù)應(yīng)力支護技術(shù)的應(yīng)用，切眼圍巖沒有出現(xiàn)大的離層、墜包、松散、垮落現(xiàn)象，整體穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)論

(1)沿空留巷技術(shù)的發(fā)展為高瓦斯礦井雙“U”通風(fēng)提供了條件，五里堠煤業(yè)采用采空區(qū)內(nèi)切眼留巷的方式來實現(xiàn)。

(2)切眼留巷的總體方案為:初次開挖時采取高預(yù)應(yīng)力一次支護;工作面推進后，采取木柱加巷旁料石砌墻支護，實現(xiàn)強支撐;工作面推進至留巷外區(qū)域后進行爆破切頂作業(yè)，并在必要時對頂板進行錨索支護補強。

(3)井下試驗及礦壓監(jiān)測表明，切眼變形在可控范圍內(nèi)，且為整體變形，證明該方案切實可行，實現(xiàn)了采空區(qū)內(nèi)切眼原位留巷。

(4)高預(yù)應(yīng)力一次支護保證了圍巖的完整和穩(wěn)定，是實現(xiàn)留巷的前提條件，配合巷旁支護和切頂爆破，為類似條件的沿空留巷提供了思路。

［1］張東升，馬立強，馮光明，等.綜放巷內(nèi)充填原位沿空留巷技術(shù)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(7):1164－1168.

［2］黃艷利，張吉雄，張 強，等.綜合機械化固體充填采煤原位沿空留巷技術(shù) ［J］.煤炭學(xué)報，2011，36(10):1624－1628.

［3］張東升，繆協(xié)興，茅獻彪.綜放沿空留巷頂板活動規(guī)律的模擬分析［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，30(3):261－264.

［4］康紅普，朱澤虎，王興庫，等.綜采工作面過上山原位留巷技術(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報，2002，27(5):458－461.

［5］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［6］鞠文君，李文洲.急傾斜特厚煤層水平分段開采老頂斷裂力學(xué)模型［J］.煤炭學(xué)報，2008，33(6):606－608.

［責(zé)任編輯:姜鵬飛］

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1006-6225(2012)04-0063-03

2012－04－10

馮瑞云 (1969－)，男，山西長治人，工程師，現(xiàn)任潞安集團五里堠煤業(yè)生產(chǎn)副總經(jīng)理，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)及管理工作。