榆树坡煤业大采高工作面沿空留墙技术应用研究

白斌斌

(山西宁武榆树坡煤业有限公司，山西 宁武 036799)

1 工程概况

阳煤集团榆树坡煤业1201 综采工作面位于2#煤一采区，埋藏深度为+306～ +390m，煤层厚度4.30～5.42m，平均厚度4.7m，工作面倾斜长度200m，走向长1276m。1201 工作面位于1203 工作面西北部，西南部为2#煤一采区轨道巷，北部与北辛窑煤矿相邻，四邻无采空区存在。1201 工作面位置详情如图1 所示。1201 综采工作面采用走向长壁综合机械化采煤法，一次采全高，平均采高4.7m，循环进度0.8m。1201工作面为“一进一回”两巷布置，两巷均为煤巷，1201 进风顺槽担负工作面运输煤炭和进风的任务，1201 回风顺槽担负工作面进料和回风任务。工作面顶底板岩性特征如表1 所示。为提高榆树坡煤业2#煤层的采出率，设计工作面采用无煤柱开采技术。

表1 顶底板岩性特征表

图1 采掘布置平面图

2 沿空留墙方案设计

沿空留墙技术是指工作面回采之前，在临近下个工作面的回采巷道内，对巷帮进行提前扩刷，浇筑混凝土墙，待本工作面回采完毕后，紧贴着混凝土墙进行下个工作面回采巷道的掘进。

2.1 1201 进风顺槽（1203 回风顺槽）支护方案

1201 进风顺槽沿2#煤层底板布置，采用矩形断面，掘进期间永久支护方式为锚网索+钢筋梯子梁。主要支护参数：顶板锚杆采用杆体直径20mm、长度2400mm 的高强度螺纹钢，间排距为700×1000mm，每排8 根均匀布置，靠近外侧的2根锚杆向巷道外侧倾斜10°，锚杆安装时预紧力矩不小于150N·m，锚固力不低于100kN；顶板锚索采用直径18.9mm、长度6000mm 的钢绞线，锚索间排距为2000×1000m，沿巷道中心线对称布置，垂直顶板施工，预紧力不小于200kN，每排两根，垂直巷道顶板安装；金属网采用10#铅丝焊制的经纬网，钢筋梯子梁采用直径14mm 的圆钢制成。两帮锚杆杆体同样为高强度螺纹钢，规格为Φ18×2200mm，间排距800×1000mm，靠近顶板的锚杆与水平方向呈10°，其余锚杆沿水平方向施工，金属网和钢筋梯子梁规格与顶板相同，帮部锚杆安装时预紧力矩不小于50N·m，锚固力不低于50kN。

2.2 超前扩帮支护

1201 工作面回采前在1201 进风顺槽内，由切眼开始进行扩帮，扩帮深度2200mm，高度为5000mm。扩刷区域的顶板支护锚杆规格为Φ20×2200mm 的螺纹钢，锚杆间距为750mm，排距与原有支护相同；钢筋梯子梁采用直径14mm的圆钢焊制；每两排锚杆之间布置一根锚索，一排距离煤壁500mm，一排距离2000mm，交错布置；锚索规格为Φ18.9×6000mm 预应力钢绞线，垂直顶板施工，锚固方式与原有支护方案相同，预应力不小于200kN。扩刷煤帮支护锚杆采用规格为Φ18×2200mm 的玻璃钢锚杆，间排距为1100×1000mm，每排4 根，最上部一根距离巷道顶板500mm，并向上倾斜10°安装，其余三根锚杆沿水平方向垂直煤壁施工。1201 进风顺槽扩帮后支护详情如图2 所示。

图2 1201 进风顺槽扩帮支护方案

2.3 混凝土墙支护设计

1201 进风顺槽进行帮部扩刷后，随之进行混凝土的充填。混凝土墙采用C35 混凝土，靠近煤壁一侧距离煤壁200mm（预留变形量），混凝土高度为5000mm，宽度为2000mm，每次充填长度为3000mm，墙体采用锚栓+钢筋梁加固，锚栓采用规格为Φ18×2150mm 高强左旋螺纹钢，每排6根锚栓，每个充填墙体安装4 排锚栓，锚栓间排距为800×700mm，最下部的锚栓距离底板500mm，最上部的锚索距离顶板500mm。混凝土墙体浇筑完成三天后对锚栓施加预紧力矩，预紧力矩不低于150N·m。同排锚栓间联结的钢筋梁由Ф14mm 圆钢焊接，钢筋梁宽度为400mm，长度为4400mm。

3 切顶卸压方案设计

沿空留墙期间，由于上个工作面回采后，采空区顶板在墙体上方形成悬臂梁结构，常引起混凝土墙受压严重，在下个工作面掘巷期间顶板仍未稳定，新掘巷道围岩难以控制。切顶卸压指通过对顶板进行预裂爆破，使工作面回采期间充填墙体上部采空区顶板随采随垮，防止采空区侧顶板在充填墙体上部形成悬臂结构，使墙体稳定性得到提高。采空区顶板沿墙体边缘预裂切缝垮落是切顶卸压沿空留巷技术的核心环节，由于岩石碎胀特性的影响，冒落的矸石堆积高度大于原有岩层厚度，合理的切顶高度要求巷旁垮落的矸石能够将采空区充填，对上覆回转变形的铰接岩块产生有效的支撑作用，使充填墙体上覆围岩快速达到稳定状态。为使1201 工作面顶板在墙体附近垮落矸石能够充填采空区，则最小切顶高度计算公式为：

为保证切落的顶板岩层能够基本填充采空区，工作面采高为4.7m，顶板岩层碎胀系数取1.25～1.35，则切顶高度最小为13.4～18.8m。根据1201 工作面顶板岩层的具体情况设计切顶高度为16m，切顶炮孔组间距为4m，每组3 个炮孔，组内间距为2m，炮孔向采空区方向倾斜35°钻进，竖直方向上夹角为0，炮孔实际长度为17.6m。预裂炮孔的布置详情如图3 所示。采用 CMS1-1300/22 煤矿用坑道钻机打孔，每组三个钻孔同时装药，每次一组进行放炮，放炮处距工作面50～100m。

图3 预裂爆破切顶方案

4 实际应用效果分析

图4 所示结果为切顶前后1201 工作面后方采空区内的场景，图4（a）所示为切顶前采空区内的场景，图4（b）为切顶后采空区的场景。对比可明显看出，切顶前混凝土墙上部采空区侧顶板未垮落，混凝土墙上部形成采空区侧向悬臂；切顶后，采空区侧向顶板随采随垮，防止了混凝土墙上部形成采空区侧向悬臂，有利于混凝土墙体及1203 回风顺槽的稳定。1203 回风顺槽掘进期间，混凝土墙体稳定性良好，巷道变形量均在100mm 以下。综上可知，1201 进风顺槽切顶效果良好，取得较好的护巷效果。

图4 煤壁附近顶板冒落状态

5 结论

根据榆树坡煤业1201 工作面实际情况，对1201 进风顺槽扩帮支护、墙体充填、墙体支护的详细参数进行设计，并设计顶板预裂爆破钻孔的长度、间距及爆破方式，现场应用后对切顶效果及围岩控制效果进行考察。结果表明，相较切顶前，切顶后采空区侧向顶板随采随垮，基本能够将采空区全部充填。1203 回风顺槽掘进期间，混凝土墙体稳定性良好，巷道变形量均在100mm 以下，取得较好的切顶和护巷效果。