吳兆軍

（陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司，陜西 渭南 714000）

近年來，沿空留巷技術在煤礦開采過程中被廣泛應用[1]，與有煤柱工作面布置相比，這種工作面布置方式直接減少回采巷道施工工程量，實現(xiàn)無煤柱開采[2]，同時大大緩解了煤礦采掘接替緊張的局面[3]。目前，切頂卸壓技術是在沿空留巷中應用比較成熟的一項技術[4]，不少學者通過理論計算、數(shù)值模擬、工程應用等手段進行了相關研究，取得了良好的效果[5]，尤其是對爆破參數(shù)的制定、留巷段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、補強支護等方面，積累了大量研究成果及現(xiàn)場經(jīng)驗[6]。陜西澄合百良旭升煤礦結合該礦505 綜采工作面實際地質(zhì)采礦條件，選取工作面停采線以里120 m 巷道進行沿空留巷切頂卸壓技術試驗，采用了聚能管定向爆破技術，總結了試驗段巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，試驗后留巷斷面達到了預期效果。

1 沿空留巷切頂卸壓技術方案及試驗

1.1 工作面地質(zhì)概況

505 綜采工作面順槽設計長度712 m，切巷設計長度152 m。主采5#煤層，平均厚度3.5 m，煤層直接頂為中細粒砂巖，平均厚度2.9 m；中細粒砂巖上部為4#煤層，厚度1～2.2 m，平均厚度1.4 m；老頂細粒砂巖位于4#煤層上部，厚度3～9 m，平均厚度7 m。煤層直接底為砂質(zhì)泥巖與泥巖互層，厚度0.6～2.8 m，平均厚度1.8 m；老底為細粒砂巖，厚度13.5～20.5 m，平均厚度16 m。

1.2 試驗段補強支護方案

505 綜采工作面位于百良旭升煤礦礦井二采區(qū)東翼，西臨采區(qū)大巷，東臨礦界保護煤柱，南北均為未開拓區(qū)域。試驗地點為505 工作面軌道巷，巷道斷面規(guī)格：凈寬×凈高=4 m×3.5 m，采用錨網(wǎng)索支護形式，巷道頂板打設6 根錨桿，幫部打設5 根錨桿，錨桿采用φ22 mm×2 400 mm 左旋無縱筋錨桿。另外頂板打設φ18.9 mm×8 300 mm 錨索進行補強支護，錨索呈三花布置。試驗段采取二次錨桿（索）補強加固方案，即采用錨桿對煤柱側幫、錨索對煤墻幫頂板補強加固。錨桿采用φ22 mm×2 400 mm 左旋無縱筋錨桿，間排距1 400 mm×1400mm，錨桿打設在原幫部每兩排錨桿之間呈五花布置，共補打錨桿145 根。錨索采用φ21.8 mm×8 300 mm 1860 鋼絞線，距幫部0.6 m 處施工一排，間距0.8 m，共補打錨索127根。巷道補強加固斷面如圖1 所示。

圖1 巷道補強支護斷面

1.3 試驗巷道切頂卸壓方案

（1）頂板預裂爆破孔設計

采取深孔雙向聚能爆破技術對頂板進行切頂卸壓，在試驗段巷道超前工作面50 m 施工爆破孔。結合505 綜采工作面頂板巖層賦存狀況，爆破孔設計孔深6.5～7.2 m，直徑50 mm，布置在距回采幫250 mm 處，孔間距800 mm，沿頂板傾向工作面采空區(qū)20°打設，該段巷道共計施工爆破孔150 個。

（2）爆破參數(shù)

炸藥選用煤礦用乳化炸藥，炸藥規(guī)格：φ32 mm×200 mm； 每個爆破孔安裝9 節(jié)炸藥，裝藥長度1.8 m。雷管選用煤礦用毫秒延期電雷管，每個爆破孔使用兩發(fā)電雷管。雷管連線方式為孔外串聯(lián)及孔內(nèi)并聯(lián)；每5 個爆破孔為一組，一次起爆一組爆破孔。聚能管采用φ40 mm×4 000 mm 聚乙烯PVC 管，為實現(xiàn)定向爆破效果，每根聚能管需對稱切割出8 mm 寬度的對縫。

（3）分段試驗方案

為確定科學合理的爆破參數(shù)，將505 綜采工作面軌道巷120 m 巷道分3 段進行試驗，針對爆破孔深、裝藥方式制定不同爆破參數(shù)，從而確定最優(yōu)的爆破方案，分段參數(shù)如表1 所示。

表1 留巷段分段爆破參數(shù)

1.4 留巷段支護方案

（1）留巷段采用液壓單體柱配合π 型鋼打設抬棚進行超前加固，π 型鋼長2.4 m，抬棚棚距0.8 m，排距0.6 m。

（2）切頂側幫部采用密集液壓單體柱配合工字鋼進行支護，采用雙層網(wǎng)（里層雙抗網(wǎng)、外層鋼筋網(wǎng)）護幫。工作面推過切頂段60 m 后，使用工字鋼替換切頂側幫部液壓單體柱，不再進行回收。

1.5 礦壓監(jiān)測方案

（1）巷道表面位移觀測：采用十字布點法進行巷道表面位移觀測，每間隔6 m 設置一組測站，每天量取頂?shù)装?、兩幫相對移近量?/p>

（2）頂板離層觀測：安裝KJ216 頂板離層儀對頂板離層量進行觀測，每間隔12 m 安設一組。

（3）錨桿（索）受力觀測: 使用錨桿（索）測力計對錨索、錨桿受力狀態(tài)進行觀測，每間隔12 m安設一組。

2 切頂卸壓沿空留巷效果

2.1 頂?shù)装逑鄬σ平?/h3>

沿空留巷圍巖應力隨工作面推進不斷變化，留巷段頂?shù)装遄冃畏智捌诨顒悠凇⒒顒舆^渡期及后期活動期三個階段，選取1 號測點變形量曲線圖為代表，如圖2 所示。

圖2 1 號測點變形量曲線

（1）頂板活動前期：該階段試驗段巷道受采場超前支承壓力影響。工作面距測點大于45 m 時，巷道頂?shù)装鍟r，巷道頂?shù)装鍩o明顯變形，相對移近量較??；工作面距測點45～30 m 時，超前支承應力影響開始顯現(xiàn)，但頂板下沉量、測點底鼓量整體變化不大；工作面距測點30～15 m 時，變形量增大；工作面距測點小于15 m 時，頂板下沉量、下沉速率及底鼓量、底鼓速率顯著增大，如表2、表3 所示。

表2 頂板下沉量觀測數(shù)據(jù)分析

表3 底鼓量觀測數(shù)據(jù)分析

（2）頂板活動過渡期：該階段留巷段受工作面傾向支撐壓力影響。當工作面推過測點期間，測點后方頂板失去支架支撐，采空區(qū)直接頂出現(xiàn)垮落。因垮落后的巖石無法充填滿采空區(qū)，造成老頂及其上覆巖層通過層間聯(lián)系直接作用在留巷段，巷道處于應力集中區(qū)域，頂?shù)装宄霈F(xiàn)劇烈變形[3]。

（3）頂板活動后期：該階段留巷段受后方采空區(qū)支承壓力影響。當工作面推過測點10 m 后，隨著老頂及關鍵層的垮落、彎曲變形，冒落的矸石形成穩(wěn)定的承載結構[4]，留巷段圍巖應力環(huán)境改善，頂?shù)装迨芎蠓讲煽諈^(qū)支承壓力影響逐漸變小。當工作面推過測點30 m 后，頂?shù)装遐呌诜€(wěn)定，基本無變化。

2.2 兩幫移近量

通過對留巷段兩幫移近量分析，總體變形情況與頂?shù)装鍘r層變形類似。當工作面距測點大于45 m 時，巷道兩幫無明顯變形；隨工作面不斷推進，兩幫變形量逐漸增大；當工作面推至測點時，礦壓顯現(xiàn)明顯，支架向巷道內(nèi)內(nèi)移明顯，兩幫急劇變形，巷道寬度較回采前寬度減小130 mm，最大變形量為420 mm。當工作面推過測點50 m 后，兩幫變形趨于穩(wěn)定，如表4 所示。

表4 兩幫移近量觀測數(shù)據(jù)分析

2.3 頂板離層量

通過對留巷段KJ216 頂板離層儀數(shù)據(jù)進行觀測分析，頂板淺部、深部離層量與巷道頂板下沉量基本一致，變化規(guī)律隨工作面的不斷推進而變化，如圖3 所示。

2.4 錨桿（索）受力狀態(tài)

（1）錨桿受力狀態(tài)分析

隨工作面的不斷推進，1 號測點處巷道幫部錨桿的受力持續(xù)增加，當增大至28 MPa（151.6 kN）時，受切頂卸壓的影響，圍巖應力重新分布，錨桿受力開始下降且逐漸趨于穩(wěn)定，如圖4 所示。

（2）錨索受力狀態(tài)分析

與錨桿受力狀態(tài)相似，隨工作面的不斷推進，錨索受力不斷增加；頂板切頂卸壓前，錨索受力達到峰值26 MPa（146.2 kN）；切頂卸壓后，頂板巖層切斷與老空區(qū)上方巖層的層間聯(lián)系，錨索受力突降為0，后受殘余支承應力影響，錨索受力慢慢增加變?yōu)? MPa 且趨于穩(wěn)定，如圖5 所示。

圖5 1 號測點錨索受力曲線

3 存在問題及建議

1）工作面回采過程中，受排尾架位置影響，支架后竄矸現(xiàn)象嚴重，擋矸效果較差；同時切頂幫側液壓單體柱僅能靠支架頂梁打設，隨工作面的回采，留巷段寬度2.3～2.7 m，遠低于預期留巷寬度。另外，受工作面坡度較大影響，切頂幫受頂板壓力及側向老空區(qū)矸石垮落影響，單體柱中間幫部多發(fā)生明顯內(nèi)鼓。針對該問題，及時拉移排尾架，并垛煤袋閉幫，同時在切頂側頂梁打設單體柱的基礎上，使用橫托梁對頂梁進一步加固，另外，對幫部單體柱采取小徑木配合雙層網(wǎng)閉幫，進一步減少幫部內(nèi)鼓現(xiàn)象。

2）按照切頂卸壓支護設計要求，工作面推過留巷段后，使用工字鋼替換原液壓單體柱。由于巷道受壓變形嚴重，巷高不一，需現(xiàn)場量取后加工不同長度的工字鋼，且現(xiàn)場替換困難，通過后期觀測，替換后的工字鋼均發(fā)生不同程度的彎曲變形。針對該問題，一方面是采用打設雙抬棚提高支護強度，另一方面在巷道出現(xiàn)劇烈變形前提前更換工字鋼立柱。

3）通過進行礦壓觀測工作發(fā)現(xiàn)，當工作面距留巷段15 m 時，巷道頂板出現(xiàn)明顯裂縫，裂縫長約12 m，寬約30 mm，需加強支護。針對該問題，一是需提高留巷段補強支護強度，尤其是需加密頂板錨索補強支護強度； 二是需進一步提高超前抬棚加固強度。

4 結語

百良旭升煤礦在505 綜采工作面軌道巷進行了沿空留巷切頂卸壓技術試驗，留巷段采用深孔雙向聚能爆破技術，順利實現(xiàn)回采側頂板的自動切落。通過對礦壓觀測數(shù)據(jù)進行對比分析得出：切頂后，巷道表面位移、頂板離層量及錨桿（索）受力逐漸減小并趨于穩(wěn)定，有效地消除了留巷區(qū)域的應力集中。此次沿空留巷成巷工程量120 m，切頂后留巷斷面：凈寬×凈高=2.5 m×2.4 m，基本達到預期效果。