薛定亮，張龍輝，張華翔

(霍州煤電集團(tuán) 呂梁山公司店坪煤礦， 山西 呂梁 033100)

切頂卸壓無煤柱自成巷110工法是一種先進(jìn)的無煤柱開采技術(shù)，利用礦山壓力做功與巖體碎脹特性自動形成巷道，實(shí)現(xiàn)了煤炭開采無巷道掘進(jìn)、無煤柱留設(shè)。近年來，該技術(shù)得到迅速推廣使用，多名學(xué)者對切頂方法、留巷后圍巖運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了研究，王琦等[1]研發(fā)了切頂卸壓無煤柱自成巷三維地質(zhì)力學(xué)模型，研究無煤柱自成巷開采全過程的覆巖運(yùn)動機(jī)制、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與自成巷變形破壞機(jī)制，得到了自成巷圍巖變形控制機(jī)制，明確了自成巷關(guān)鍵破壞部位。謝全敏等[2]針對某礦堅(jiān)硬灰?guī)r頂板條件下薄煤層沿空留巷問題，建立了巷旁軟介質(zhì)接頂力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，得出了軟介質(zhì)的高度范圍。李博[3]優(yōu)化設(shè)計(jì)塔山煤礦三盤區(qū)山4煤8304沿空留巷工作面巷道支護(hù)參數(shù)、雙向聚能爆破參數(shù)、周期來壓期間頂板支護(hù)及超前支護(hù)參數(shù)等。趙萌燁等[4]對澄合礦區(qū)董東煤礦50107工作面無煤柱切頂沿空留巷受采動影響條件下的頂板下沉規(guī)律、幫部變形規(guī)律及單體支柱受力變化規(guī)律進(jìn)行了研究。以上研究成果都較好地指導(dǎo)了現(xiàn)場設(shè)計(jì)與應(yīng)用，但是針對下軟上硬局部夾有煤線等較復(fù)雜型頂板條件下，切頂卸壓沿空留巷支護(hù)方式的配套實(shí)用方法和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究還不多。本文以店坪煤礦采用“110”工法的9-207工作面為研究對象，對下軟上硬復(fù)雜型頂板地質(zhì)條件下留巷的礦壓變化規(guī)律進(jìn)行分析，并針對留巷出現(xiàn)的問題提出優(yōu)化改進(jìn)措施，為中厚煤層復(fù)合頂板條件下留巷施工提供成套實(shí)用性方法。

1 工程概況

1.1 工作面情況

店坪煤礦9-207工作面位于+830 m水平南翼二采區(qū)，走向長度1 254 m，傾向長度246 m，煤層厚度2.7～3.2 m，均厚3.0 m，煤層傾角為0～6°，平均坡度為3°，其頂板巖性見圖1.

圖1 9-207工作面頂板巖性圖

1.2 支護(hù)方式

9-207工作面回風(fēng)順槽為矩形，毛寬5 m，凈寬4.8 m，毛高3.1 m，凈高3.0 m. 原巷道頂部采用錨網(wǎng)梁+錨索復(fù)合支護(hù)，錨桿選用d20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿“六·六”布置，間距940 mm，排距1 000 mm. 幫部采用錨網(wǎng)梁支護(hù)，幫錨桿“三·三”布置，間距1 050 mm，排距1 000 mm，最上端錨桿距離頂板300 mm處施工，留巷側(cè)幫錨桿選用d20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，碎矸側(cè)幫錨桿選用d16 mm×1 500 mm圓鋼樹脂錨桿。頂部錨索選用d18.9 mm×6 200 mm鋼絞線“二·二”布置，間距1 800 mm，距幫1 600 mm，排距3 000 mm.

2 切頂留巷工藝

2.1 超前補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)

超前采用3列d21.8 mm×14 300 mm的鋼絞線進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，第一列錨索距巷道輪廓線300 mm，間距1 000 mm，相鄰錨索之間采用規(guī)格3 400 mm×220 mm×3 mm的W鋼帶連接；第二列錨索距巷道輪廓線1 000 mm，間距1 000 mm，與第一列錨索平行布置，第三列錨索沿巷道中心線布置，間距為2 000 mm.

幫錨采用兩排d18.9 mm×4 200 mm的鋼絞線進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，上排距頂1.2 m，與煤壁夾角為90°，錨索間采用規(guī)格為3.4 m×220 mm×4眼的W鋼帶進(jìn)行連鎖，下排幫錨索與上排錨索插花布置，距頂2.2 m，與煤壁夾角為30°。每根錨索采用1條CKb2340型錨固劑與2條z2360型錨固劑進(jìn)行錨固，支護(hù)形式見圖2.

圖2 支護(hù)形式圖

2.2 爆破預(yù)裂切頂

切頂孔布置在巷道肩角處，孔徑48 mm，深度9 m，間距500 mm，角度15°，采用外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm雙向聚能管，單孔藥量4.8 kg，封泥長度1.5 m，一次爆破切頂孔6個。切頂孔參數(shù)表見表1.

表1 切頂孔參數(shù)表

2.3 超前支護(hù)

留巷采用3組ZQL-2×3200/19/37型超前液壓支架支護(hù)，支護(hù)長度21.6 m，支架的中心距2.0 m，支護(hù)寬度3.73 m，初撐力不得小于15 MPa.

留巷采用132架ZMX420/310型門式支架配合長1.1 m×寬0.9 m×厚0.11 m的方柱鞋垂直巷道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，支護(hù)長度為180 m,門式支架間距一般為1.2～1.5 m，初撐力為24 MPa，采用搬運(yùn)車進(jìn)行往復(fù)搬運(yùn)支設(shè)。

擋矸采用鋼筋網(wǎng)掛風(fēng)筒布配合2.0 m與2.5 m的29U型鋼頂?shù)坠?jié)搭接進(jìn)行擋矸支護(hù)，500 mm布置一架。

2.4 二次用巷超前支護(hù)

留巷超前采用3組ZQL-2×3200/19/37型超前液壓支架支護(hù)，支護(hù)長度21.6 m，支架的中心距2.0 m，支護(hù)寬度3.73 m，初撐力不得小于15 MPa.

3 礦壓監(jiān)測

3.1 留巷期間的礦壓監(jiān)測

9-207副巷采用GYW25型錨索測力計(jì)，對錨索受力情況與巷道圍巖變化進(jìn)行監(jiān)測，每50 m安裝1組，安裝在巷道中間，支架切頂線后方180 m范圍每20 m布置一個人工“十”字測點(diǎn)。測點(diǎn)頂部布置在巷道第二根錨桿上，實(shí)體幫布置在5 m長的錨索上，碎石幫布置在U型鋼上，底部布置在2 m長的錨桿上。

1) 錨索受力監(jiān)測。

錨索受力監(jiān)測是頂板壓力作用到測力計(jì)上的應(yīng)力直觀顯現(xiàn)。錨索應(yīng)力值變化曲線見圖3. 通過觀測得知，留巷超前0～20 m礦壓影響較小，變化量為1～10 kN.

圖3 錨索應(yīng)力值變化曲線圖

隨著工作面推進(jìn)，錨索受力開始逐漸增加，在滯后工作面0～20 m，錨索應(yīng)力增加較快，滯后工作面20～100 m，隨著采空區(qū)頂板的垮落錨索應(yīng)力逐漸增加到320 kN，滯后工作面120 m以后錨索應(yīng)力基本穩(wěn)定到320 kN.

2) 門式支架載荷。

滯后工作面10～20 m，門式支架載荷急劇增加，由20 MPa(2 462 kN)增加到32 MPa(1 969 kN).

滯后工作面20～100 m，門式支架載荷逐漸達(dá)到峰值38 MPa(2 338 kN)，并隨著安全閥的開啟，載荷值上下波動。

滯后工作面100～120 m，門式支架載荷開始逐漸穩(wěn)定，載荷值上下波動變慢。

滯后工作面120～180 m，門式支架載荷穩(wěn)定大體穩(wěn)定在38 MPa(2 338 kN)左右。門式支架載荷變化曲線見圖4.

圖4 門式支架載荷變化曲線圖

3) 頂、幫、底板變形情況。

滯后工作面20 m范圍頂幫變化急劇增加，頂?shù)装逡平繛?5～20 mm/天，底板基本沒有變化。兩幫移進(jìn)量也變大為10～15 mm/天。

滯后工作面20～100 m頂幫變化逐漸減小，頂?shù)装逡平繛?0～15 mm/天，其中頂板變化6～10 mm,底板變化45 mm，兩幫回縮量為8～13 mm/天。

滯后工作面100～120 m頂幫變化逐漸趨于平穩(wěn)，頂板下沉量為5～10 mm/天，兩幫回縮量為5～8 mm/天。

在滯后工作面120～180 m基本穩(wěn)定，頂板下沉量為3～5 mm/天，兩幫回縮量為3～5 mm/天。頂板下沉量、兩幫回縮量監(jiān)測曲線分別見圖5，6.

圖5 頂板下沉量監(jiān)測曲線圖

圖6 兩幫回縮量監(jiān)測曲線圖

3.2 二次復(fù)用期間的巷道礦壓監(jiān)測

在超前60 m范圍每10 m布置一個人工“十”字測點(diǎn)。測點(diǎn)布置方法同上。

二次復(fù)用巷道超前40～50 m礦壓開始顯現(xiàn)，頂?shù)装逡平繛?～5 mm/天，底板基本不變，兩幫回縮量為0～5 mm/天。

超前20～30 m頂幫變化量逐漸增加，頂?shù)装逡平繛?～8 mm/天，底板變化量為2～3 mm，兩幫回縮量為5～10 mm/天。

超前0～20 m頂幫變化量急劇增加，頂板下沉量為10～20 mm/天，其中底鼓量為5～8 mm,兩幫回縮量為15～25 mm/天，其中切縫側(cè)U型鋼變化5～8 mm，煤壁側(cè)變化10～17 mm. 頂板下沉量、兩幫移進(jìn)量監(jiān)測曲線分別見圖7,8.

圖7 頂板下沉量監(jiān)測曲線圖

圖8 兩幫移進(jìn)量監(jiān)測曲線圖

3.3 留巷效果分析

采用切頂卸壓技術(shù)后，切縫預(yù)裂爆破在豎直方向上產(chǎn)生了裂縫，切斷了實(shí)體煤上覆巖層與巷道上覆巖層的巖梁應(yīng)力聯(lián)系，使圍巖應(yīng)力向?qū)嶓w煤深部延伸，減小了超前及留巷期間的礦山壓力。在水平方向上對局部巖石形成了預(yù)分層作用，減小了留巷采空區(qū)頂板垮落期間的來壓強(qiáng)度，加快了采空區(qū)頂板的垮落速度，同時(shí)留巷頂板得到穩(wěn)定。

4 礦壓在留巷、用巷期間的規(guī)律分析

4.1 留巷期間的礦壓監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)留巷、用巷期間的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，留巷礦壓大致分為留巷超前應(yīng)力區(qū)、壓力劇增區(qū)、壓力峰值區(qū)、壓力漸穩(wěn)區(qū)和基本穩(wěn)定區(qū)。

超前工作面0～20 m為超前應(yīng)力區(qū)，留巷超前20 m段礦山壓力比常規(guī)回采工藝小，該段的臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度不需要太高。采用雙排單體帶帽點(diǎn)柱支護(hù)，柱距3～4 m，排距2～3 m就能夠滿足支護(hù)要求。留巷后部礦山壓力相對較大，需采用高工作阻力的門式支架進(jìn)行支護(hù)。

滯后工作面0～20 m為留巷壓力劇增區(qū)，該段為沿空留巷重點(diǎn)管理區(qū)段，在留巷過程中需加強(qiáng)門式支架的初撐力及支設(shè)間距管理，保證支護(hù)強(qiáng)度，在過巷道底軟區(qū)域時(shí)，需及時(shí)清理柱鞋下方的浮渣，減小立柱的鉆底，過構(gòu)造區(qū)域，需及時(shí)縮小門式支架的間距，降低門架工作阻力，保證頂板完整性。

滯后工作面20～100 m段為留巷壓力峰值區(qū)，該段為日常管理區(qū)段，在留巷期間，需及時(shí)對工作阻力不達(dá)標(biāo)的立柱進(jìn)行補(bǔ)液，保證門架的支護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)對門式支架頂梁傾斜、立柱支設(shè)角度不正的門式支架進(jìn)行調(diào)整，減小頂梁、立柱的損壞，延長設(shè)備使用壽命。

滯后工作面100～120 m為留巷逐漸穩(wěn)定區(qū)，滯后工作面120～180 m為留巷基本穩(wěn)定區(qū)，該區(qū)段礦壓變化較小，可根據(jù)留巷頂、幫變形情況，適當(dāng)進(jìn)行巷道維修。

基本穩(wěn)定區(qū)可以作為成巷二次直接復(fù)用。

4.2 二次復(fù)用巷道期間采取的技術(shù)措施

1) 根據(jù)復(fù)用巷期間礦壓觀測分析，用巷期間采用超前支架支護(hù)20 m，支護(hù)強(qiáng)度略弱，需在切縫側(cè)補(bǔ)加1排單體貼幫柱配合超前支架支護(hù)，單體柱支護(hù)長度30 m，距幫0.8 m，支柱初撐力不低于15 MPa.

2) 加強(qiáng)超前支架、端頭支架、工作面支架初撐力管理，提高用巷期間的支護(hù)強(qiáng)度。

3) 局部破碎頂板受超前動壓影響，形成網(wǎng)包。到超前支架支護(hù)區(qū)域，網(wǎng)包受超前支架擠壓后破碎漏頂，增加了勞動強(qiáng)度，在破碎區(qū)域補(bǔ)打錨索后，W鋼帶加強(qiáng)了破碎區(qū)段的頂板控制，將破碎區(qū)域連接為一體，減少了巷道漏頂。

5 結(jié) 論

1) 店坪煤礦下軟上硬型頂板的沿空留巷采用切頂深孔預(yù)裂爆破、超前補(bǔ)強(qiáng)錨索護(hù)頂、U型鋼配合金屬網(wǎng)檔矸、專用循環(huán)式門式支架對留巷后部增強(qiáng)臨時(shí)護(hù)頂?shù)姆椒ㄊ菍?shí)用可行的。

2) 根據(jù)9-207留巷門式支架載荷分布、錨索應(yīng)力變化、頂板下沉、巷道底鼓以及巷道兩幫變形等礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，將留巷礦壓分為：超前應(yīng)力區(qū)、壓力劇增區(qū)、壓力峰值區(qū)、逐漸穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)5個應(yīng)力變化區(qū)域，并根據(jù)開采過程中巷道變化規(guī)律提出相應(yīng)的措施。