溫耀軍

（山西凱嘉能源集團(tuán)有限公司，山西 晉中 032000）

0 引言

2008 年，何滿潮院士提出“切頂短臂梁”理論，即沿巷道頂板預(yù)先進(jìn)行定向預(yù)裂，切斷部分頂板巖層的礦山壓力傳遞，進(jìn)而利用礦山壓力，利用頂板部分巖體，自動(dòng)形成巷幫，實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采，并于2010 年在川煤集團(tuán)白皎煤礦2442 工作面首次現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用。

目前切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)在各類(lèi)薄煤層、不同傾角以及復(fù)合頂板、破碎頂板條件下的中厚煤層取得了試驗(yàn)成功，但是尚未對(duì)厚煤層、厚硬灰?guī)r頂板條件下的切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)展開(kāi)理論和試驗(yàn)研究。本文是在厚煤層堅(jiān)硬頂板條件下開(kāi)展切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了理想的效果。

1 工程地質(zhì)條件

義棠煤礦100608 工作面位于礦井北翼，長(zhǎng)150 m，回采工藝為大采高一次采全高工藝，采高為5 m。工作面開(kāi)采煤層為9 號(hào)、10 號(hào)煤層上段，煤層總厚度6.7 m。工作面埋深416～473 m，平均450 m。工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行沿空留巷。巷道直接頂為9 號(hào)煤層，平均厚度1.2 m，老頂為石灰?guī)r，厚9.3 m，f 值為11～12，老頂上方10 m 范圍內(nèi)為細(xì)砂巖和泥巖交叉沉積，每層厚度為2.5～3.3 m；巷道直接底為10 號(hào)煤下段，平均厚度1.5 m，老底為深灰色泥巖，平均厚度4.5 m。巷道斷面為矩形，巷高4 m，巷寬5 m。由于工作面留有底煤，留巷內(nèi)留設(shè)有頂?shù)酌?，工作面回采工程中采取注氮、噴灑阻化劑，采后黃泥灌漿的綜合防滅火措施。

2 超前預(yù)裂爆破切頂

超前工作面50 m，距離巷道實(shí)體煤側(cè)巷幫700 mm，采用聚能深孔預(yù)裂爆破進(jìn)行切頂，孔深20 m，終孔位置位于老頂上方9 m 左右位置，爆破孔向?qū)嶓w煤一側(cè)傾斜15°，孔間距為760 mm。單孔裝藥量為10.8 kg，裝藥結(jié)構(gòu)為由內(nèi)向外4-4-4-4-4-3-3-3-3-2-2，孔內(nèi)串聯(lián)連線孔外并聯(lián)連線。

3 留巷內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 恒阻錨索支護(hù)形式

回風(fēng)順槽超前工作面80 m，巷道頂板距離切頂線350 mm（距回采側(cè)煤幫1 050 mm）補(bǔ)打1 排恒阻錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索規(guī)格為φ21.8 mm×8 300 mm，支護(hù)間距為1 000 mm，恒阻錨索平行于巷道走向布置。相鄰恒阻錨索之間用“W”鋼帶連接，W 鋼帶型號(hào)為WD-3.0，長(zhǎng)度2 500 mm，恒阻器可伸長(zhǎng)量不小于450 mm，恒阻值為350 kN。

3.2 常規(guī)錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)形式

回風(fēng)順槽超前工作面80 m，在巷道頂板中部采用常規(guī)錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索規(guī)格為φ21.8 mm×6 300 mm，錨索屈服力為51 t，破斷力為57 t。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度確定：巷道冒落拱高為2.5 m，每米巷道冒落拱內(nèi)巖層重量為31.3 t，再考慮1.2 倍的安全系數(shù)和2 倍的動(dòng)載系數(shù)，每米巷道冒落拱內(nèi)巖層重量為75.1 t；根據(jù)鄰近煤礦安益煤礦100505 工作面沿空留巷（巷旁高水充填）的支護(hù)及礦壓情況；巷道已擱置時(shí)間較長(zhǎng)，原有錨網(wǎng)支護(hù)難免會(huì)存在失效情況，為保證安全不考慮原有錨網(wǎng)支護(hù)的作用，則每米巷道錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度不低于75.1t/m。則每排布置2 根錨索，支護(hù)間排距為1 800 mm×2 000 mm，補(bǔ)強(qiáng)錨索與巷道原支護(hù)錯(cuò)開(kāi)布置。

3.3 幫錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)形式

在留巷煤柱側(cè)超前工作面20 m，巷幫中部補(bǔ)支1 排幫錨索，錨索規(guī)格為φ21.8 mm×4 200 mm，支護(hù)索間距為2 000 mm。

3.4 頂錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

在留巷端頭支架后行人通道內(nèi)，沿巷道走向補(bǔ)強(qiáng)支設(shè)頂錨桿，錨桿采用φ22 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿屈服力為22 t，破斷力為27 t。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度確定：巷道頂板不穩(wěn)定巖層為1.2 m 厚的9 號(hào)煤，每米巷道內(nèi)不穩(wěn)定巖層重量為7.8 t，再考慮1.2 倍的安全系數(shù)和2 倍的動(dòng)載系數(shù)，每米巷道不穩(wěn)定巖層重量為18.7 t；根據(jù)鄰近煤礦安益煤礦100505 工作面沿空留巷（巷旁高水充填）的支護(hù)及礦壓情況；巷道已擱置時(shí)間較長(zhǎng)，原有錨網(wǎng)支護(hù)難免會(huì)存在失效情況，為保證安全不考慮原有錨網(wǎng)支護(hù)的作用，則每米巷道錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度不低于18.7 t/m。再結(jié)合頂板煤體的破碎情況和網(wǎng)片鋪設(shè)的需求，每排布置3 根錨桿，錨桿支護(hù)間排距為1 200 mm×1 000 mm。錨桿采用W 鋼帶聯(lián)結(jié)，型號(hào)為WD-3.0，長(zhǎng)度2 500 mm。網(wǎng)片采用規(guī)格為φ1.8 mm×1 200 mm×4 000 mm 的鋼絲網(wǎng)。留巷內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖如圖1 所示。

圖1 留巷內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意Fig.1 Reinforcement support in retaining roadway

4 巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)

距離留巷內(nèi)端頭支架架后1 m，采用柱梁桁架支護(hù)進(jìn)行留巷巷旁支護(hù)。柱梁桁架支護(hù)每排布置5根DW45-200/110 型單體支柱，選用十字鉸接頂梁（0.6 m）+鉸接頂梁（1 m）進(jìn)行聯(lián)結(jié)，單體柱柱距為0.5 m，排距為0.6 m，支柱全部上柱鞋和防倒繩，柱鞋規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm 的鐵板，每排單體支柱靠近采空的第一根與第二根間采用400 mm×300 mm 的方木撐實(shí)。巷旁支護(hù)示意如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)巷旁支護(hù)Fig.2 On-site roadside support

5 相似模擬研究

假定采空區(qū)后方距回采工作面的10～80 m 距離與平面模型工作面循環(huán)結(jié)束后1～8 d 相對(duì)應(yīng)。把立體模型簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型，采用平面相似模擬試驗(yàn)臺(tái)模擬工作面循環(huán)結(jié)束后1～8 d 側(cè)向頂板垮落移動(dòng)規(guī)律，沿空留巷巷道圍巖應(yīng)變變化規(guī)律。

（1）實(shí)驗(yàn)相似比的確定。

煤層埋藏平均深度為450 m，采高5 m，根據(jù)原型條件和實(shí)驗(yàn)室平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)臺(tái)尺寸（試驗(yàn)臺(tái)幾何尺寸：長(zhǎng)×高×寬=3 000 mm×3 000 mm×200 mm），確定試驗(yàn)幾何比為0.01，容重相似比為0.6；應(yīng)力相似比為0.006；時(shí)間相似比為0.01。

（2）相似材料配比。

根據(jù)模型與原型的應(yīng)力相似比換算出模擬材料的容重、抗壓強(qiáng)度，逐層選取材料配比。根據(jù)相似材料配比表查得模擬材料的配比為∶砂∶碳酸鈣∶石膏為9∶0.5∶0.5。水膠比為0.1。

（3）載荷條件。

根據(jù)計(jì)算補(bǔ)償載荷數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)采用2 個(gè)液壓油缸串聯(lián)加壓實(shí)現(xiàn)載荷補(bǔ)償，經(jīng)計(jì)算確定油缸的壓力為1.406 MPa。

（4）模型的邊界條件。

模型的四周和頂板用20 號(hào)槽鋼和有機(jī)玻璃板約束，上面用液壓油缸加載，模型兩側(cè)各留300 mm 寬煤柱。

模型制作后，干燥3 d 后，打開(kāi)玻璃板進(jìn)行位移測(cè)點(diǎn)布置，為全站儀量測(cè)選取基點(diǎn)，測(cè)取各測(cè)點(diǎn)初讀數(shù)，同時(shí)進(jìn)行壓力盒和應(yīng)變儀連線。

（5）開(kāi)挖過(guò)程。

把模型簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型，從工作面中部向兩邊開(kāi)挖。右邊為頂板切縫深度為20 m，在開(kāi)挖時(shí)，預(yù)先在留設(shè)的巷道進(jìn)行頂板切縫，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图伴_(kāi)挖過(guò)程如圖3 所示。

圖3 相似模擬模型及開(kāi)挖工程Fig.3 Similar simulation model and excavation engineering drawing

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果（圖4）可知，按照設(shè)計(jì)的留巷支護(hù)方案，巷道頂?shù)装逡平靠刂圃?.5 m 以內(nèi)（其中頂板下沉量控制在150 mm 以內(nèi)，底鼓量控制在350 mm 左右），能滿足巷道重復(fù)利用的需求。

圖4 相似模擬結(jié)果Fig.4 Similar simulation results

6 現(xiàn)場(chǎng)擋矸支護(hù)設(shè)計(jì)

為了防止采空區(qū)的矸石躥入巷道及減少采空區(qū)漏風(fēng)，采用鋼筋網(wǎng)、鋼絲網(wǎng)、單體支柱、L 型鐵鞋與可伸縮U 型鋼進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)?？缮炜sU 型鋼靠近采空支設(shè)一排，支設(shè)間距600 mm。在靠近采空區(qū)側(cè)，先鋪設(shè)一層鋼絲網(wǎng)（內(nèi)）和鋼筋網(wǎng)（外），風(fēng)筒布布置在網(wǎng)夾層內(nèi)；后架設(shè)U 型鋼，采用可伸縮29U 型鋼上下兩節(jié)可縮性搭接，U 型鋼長(zhǎng)2.5 m（可根據(jù)巷道高度適當(dāng)調(diào)整），相鄰U 型鋼采用4 道鏈板鏈接；同時(shí)在擋矸棚的中部增設(shè)加強(qiáng)裝置，以阻斷擋矸棚側(cè)壓導(dǎo)致的支柱變形、傾倒問(wèn)題；加強(qiáng)裝置采用橫梁+斜撐的結(jié)構(gòu)，橫梁為1.5 m 工字鋼梁，斜撐為2.5 m 工字鋼腿。每個(gè)橫梁下方采用兩道斜撐支設(shè)，斜撐居中布置，間距為0.6 m。每道橫梁與3 道U 型鋼相連，橫梁間錯(cuò)茬布置，連為一體。兩相鄰L 型鐵鞋采用500 mm×300 mm 的方木撐實(shí)。鋼絲網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)一端與巷幫頂部網(wǎng)搭接，另一端與底板接觸。鋼筋網(wǎng)采用φ6 mm的鋼筋焊接網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)尺寸為2 500 mm×4 000 mm，鋼絲網(wǎng)尺寸為1 000×10 000 mm。擋矸設(shè)施支護(hù)好后，需要進(jìn)行噴漿處理，噴漿厚度為200 mm，混凝土強(qiáng)度為C20。擋矸支護(hù)如圖5 所示。

圖5 擋矸支護(hù)圖Fig.5 Gangue retaining support

7 礦壓觀測(cè)結(jié)果

根據(jù)巷旁支護(hù)單體支柱壓力觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，留巷段單體支柱在距工作面0～40 m，受工作面周期來(lái)壓影響，柱壓呈總體上升趨勢(shì)；受工作面采動(dòng)影響，部分單體支柱出現(xiàn)卸載現(xiàn)象，滯后工作面180 m 后，柱壓基本穩(wěn)定，單體柱壓力變化值在0.1～0.2 MPa/d 左右。

根據(jù)留巷頂板動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，頂?shù)装遄畲笠平坎怀^(guò)350 mm。工作面推進(jìn)100 m范圍，頂?shù)装逡平砍拭黠@增大的趨勢(shì)；工作面推進(jìn)100～150 m 時(shí)，頂?shù)装逡平吭龃筅厔?shì)減緩；工作面推進(jìn)超過(guò)150 m 以后，頂?shù)装逡平恐饾u趨于穩(wěn)定。

綜合礦壓分析表明，留巷內(nèi)頂板下沉量不大，頂?shù)装逡平炕究刂圃?50 mm 以內(nèi)，兩幫移近量基本控制在500 mm 以內(nèi)。從整體留巷來(lái)看，巷道變形在可控范圍內(nèi)。礦壓觀測(cè)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 礦壓觀測(cè)結(jié)果Fig.6 Observation results of mine pressure

與以往留設(shè)煤柱（煤柱寬度20 m）巷道圍巖變形相比，沿空留巷圍巖變形較小。留設(shè)煤柱巷道頂?shù)装逡平恳话銥?80～550 mm，大于沿空留巷的頂?shù)装遄冃瘟?；兩幫移近量一般?60～580 mm，與沿空留巷的幫變形量相差不大。但遇斷層地段，沿空留巷圍巖變形較大，頂?shù)装逡平窟_(dá)650～800 mm，頂板破碎，底鼓現(xiàn)象明顯；幫鼓量達(dá)560～670 mm。采取切頂措施后工作面周期來(lái)壓步距為10～13 m，來(lái)壓時(shí)持續(xù)時(shí)間為1 d 左右，而以往工作面周期來(lái)壓步距為18～27 m，來(lái)壓時(shí)持續(xù)時(shí)間為2～3 d。通過(guò)礦壓數(shù)據(jù)分析可知，采取切頂卸壓措施后，能有效地改善工作面和巷道的應(yīng)力環(huán)境，降低工作的礦壓顯現(xiàn)。另外，采取沿空留巷技術(shù)，將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)，能進(jìn)一步降低巷道的礦山壓力。

8 單體支柱的回撤

待巷道穩(wěn)定后，為節(jié)約留巷成本，根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果，對(duì)滯后工作面200 m 的留巷巷旁支護(hù)進(jìn)行分批、有計(jì)劃地回撤。對(duì)巷內(nèi)每排靠近巷道的1 號(hào)和2 號(hào)單體柱進(jìn)行回撤，單次回撤長(zhǎng)度20 m?；爻泛蟮牧粝锵锱灾ёo(hù)單體支柱由原先每排5 根變?yōu)? 根。具體施工方案：進(jìn)行巷道圍巖變形觀測(cè)，當(dāng)頂板下沉量小于1 mm/d 時(shí)準(zhǔn)備回撤。首先將單體支柱從后方間隔向前回撤，回撤至工作面端頭支架后方備用，依次循環(huán)使用?；爻吠戤吅蟛键c(diǎn)觀測(cè)，待礦壓及頂?shù)装逡平糠€(wěn)定后進(jìn)行下一步的回撤。

9 結(jié)語(yǔ)

該沿空留巷技術(shù)是在5 m 大采高、厚煤層、厚硬灰?guī)r頂板條件下實(shí)施完成的，在整個(gè)國(guó)內(nèi)成功實(shí)踐應(yīng)用的沒(méi)有先例。通過(guò)理論設(shè)計(jì)、相似模擬研究以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和礦壓觀測(cè)得出，試驗(yàn)效果明顯，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益可觀。該留巷技術(shù)既能滿足工作面推進(jìn)速度快、巷高達(dá)4 m 高度條件下有效擋矸、工作面頂板厚硬能及時(shí)垮落，又能實(shí)現(xiàn)留巷材料可回收重復(fù)利用，節(jié)省了支護(hù)成本，同時(shí)也避免了利用充填材料留巷出現(xiàn)后期充填體風(fēng)化變酥強(qiáng)度降低的風(fēng)險(xiǎn)。