薄煤层切顶卸压沿空留巷技术研究及应用

刘 鹏

（金辛达煤业有限公司，山西 临汾 041000）

沿空留巷技术因其可提高工作面煤炭资源回采率、掘进工程量小、可有效缓解工作面采掘接替紧张局面等优点，近年来在我国各大矿区得以广泛应用和发展[1-2]。如何确保沿空留巷效果及围岩稳定性成为学者专家关注的焦点问题。赵永平采用预应力锚索超前支护及预裂爆破切顶卸压技术确保了店坪煤矿沿空留巷成巷效果。张国辉和邢永基于对巷道围岩运动规律的分析，提出定向预裂爆破技术切断巷道与上覆围岩之间的联系，改善了留巷段围岩条件。基于上述研究成果，针对金辛达煤矿202 薄煤层综采工作面工程地质条件，设计了202 工作面胶带顺槽切顶钻孔关键参数，并采用分区支护方案有效控制了巷道围岩变形。

1 工程概况

金辛达煤矿2 号煤层为现阶段开采煤层。2 号煤层埋深150～350 m，平均埋深250 m；煤层厚度1.0～1.48 m，平均厚度1.24 m；煤层倾角2°～10°，平均倾角6°；煤层结构简单，偶含1～2 层夹矸，厚度约0.3～1.0 m，为赋存稳定的全区可采薄煤层。202 工作面位于2 号煤层采区中部，南侧为201 工作面采空区，北部为203 工作面实体煤，西部为2号煤层辅运大巷，东部为井田边界。2 号煤层直接顶为砂质泥岩和泥岩，基本顶为细粒砂岩，直接底为泥岩，基本底为粉砂岩。202 工作面胶带顺槽为半煤岩巷道，沿2 号煤顶板布置，断面为矩形，净宽5.0 m，净高2.8 m。

2 切顶卸压方案及主要技术参数

为保证沿空留巷效果，使巷道侧向顶板沿预裂切缝被切断，达到减弱和转移巷道侧向支承压力[3]，设计采用双向聚能预裂爆破技术进行预裂切顶卸压，即在预裂线上施工炮孔，采用双向聚能装置装药，使聚能方向对应于岩体预裂方向，借助爆轰形成的聚能流所产生的张拉应力，使预裂炮孔沿聚能方向贯穿，形成预裂面。

2.1 切顶炮孔角度

切顶炮孔角度α是指在巷道断面上切顶炮孔与铅垂方向上的夹角，合理的切顶炮孔角度是决定切顶后悬臂梁长度、炮孔深度及装药量的关键参数[4]。基于202 工作面胶带顺槽工程地质条件及钻机施工条件，设计炮孔角度α=20°，切顶炮孔位置距巷道回采侧帮100 mm。

2.2 切顶炮孔深度

预裂切缝孔深度一般取采高的2.6 倍。通过对201 胶带顺槽顶板预裂效果观测，采煤工作面上巷口至采煤面下巷口方向15 m 范围内采高对顶板预裂效果影响较大。202 工作面平均采高1.6 m，但回采工作面下巷口15 m 范围内采高达到2.2 m，因此预裂切缝孔深度取6.5 m。202 工作面胶带顺槽切顶炮孔布置如图1。

图1 202 工作面胶带顺槽切顶炮孔布置参数图（mm）

2.3 装药结构

双向聚能管采用特制聚能管，其外径42 mm，内径36.5 mm，管长1500 mm。聚能爆破采用矿用三级乳化炸药，炸药规格为Φ32 mm×300 mm/卷，爆破孔口用炮泥封孔，封孔长度≥1.5 m。

3 切顶卸压沿空留巷支护方案

3.1 巷道原支护方案

202 工作面胶带顺槽原支护方式为“锚网索+钢带”，顶板锚杆采用Φ20 mm×2200 mm 高强度螺纹钢锚杆，间排距为1000 mm×1000 mm；锚索采用Φ17.8 mm×6300 mm 钢绞线，间排距为2000 mm×2000 mm。两帮锚杆采用Φ20 mm×2200 mm 高强度螺纹钢锚杆，间排距为1000 mm×1000 mm。顶板及两帮网片采用Φ5 mm 钢筋焊接网，规格2100 mm×1100 mm；钢带采用4500 mm×300 mm×3 mm 型W 钢带。如图2。

图2 202 工作面胶带顺槽原支护断面图（mm）

3.2 切顶卸压沿空留巷支护方案

3.2.1 恒阻大变形锚索补强加固

为了控制顶板下沉，使所留巷道围岩能够最大限度发挥自身承载作用，减少巷道变形，保证切顶过程和回采期间周期来压时巷道的稳定性和留巷效果，设计采用恒阻大变形锚索对巷道顶板进行补强加固。为充分发挥恒阻大变形锚索的支护性能，避免预裂爆破和顶板垮落对其造成的影响，恒阻大变形锚索长度一般要超过预裂切缝爆破高度2 m，确保锚固端位于较稳定岩层内。考虑到顶板岩层分布、巷道原有支护参数情况，恒阻大变形锚索设计长度选择为8.8 m。具体支护参数为：恒阻大变形锚索选用Φ21.8 mm×8800 mm 的钢绞线，垂直于巷道顶板布置，排距为1000 mm，每排布置一根，布设位置距回采侧煤帮600 mm；施加的预紧力不小于280 kN；选用Φ79 mm×450 mm 的恒阻器实现恒阻，恒阻值为（30±2）t；相邻两根恒阻大变形锚索间采用规格为4500 mm×300 mm×3 mm 的W 型钢带进行搭接；配套锚索托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm。如图1。

3.2.2 留巷段分区支护方案

不同位置巷道在工作面推进过程受到的采动影响不同。超前工作面一定范围内受超前支承压力的影响，巷道极易发生较大变形，甚至引发冒顶事故。随着工作面开采，顶板开始垮落并逐渐稳定，故在工作面架后一定范围内需要进行顶板支护和采取挡矸措施。当巷道滞后工作面一定范围后，顶板变形基本趋于稳定，形成新的应力平衡状态，此时只需采取挡矸措施即可[5]。基于上述不同位置巷道具体情况，结合201 工作面沿空留巷现场监测数据，将202 工作面留巷段划分为三个区域分别制定针对性的支护方案，具体如下：

1）超前加强支护区（工作面前方20 m）：在切顶卸压之前，采用“单体液压支柱+工字钢”的支护方式对工作面前方20 m 范围内202 工作面胶带顺槽进行超前支护，其中单体液压支柱排距为1000 mm，工字钢采用长度4 m 的11 号工字钢。

2）架后临时加强支护区（架后0～300 m）：采用“单体液压支柱+π 型钢梁”的联合支护形式对工作面架后300 m 范围进行临时加强支护，单体液压支柱与π 型钢梁采用“一梁四柱”的方式进行布置，如图3。

图3 架后临时加强支护断面图（mm）

为防止矸石进入留巷区影响留巷效果，采用“29U 型钢+钢筋网”联合支护方式进行挡矸支护。29U 型钢每根长2 m，排距为500 mm，每两根为一组进行搭接，采用两组卡缆对搭接处进行固定。钢筋网采用Φ6 mm 的钢筋焊接网，网孔尺寸为100 mm×100 mm，钢筋网尺寸为2100 mm×1200 mm。为确保挡矸支护牢固性，在29U 型钢焊接Φ20 mm 钢筋插入顶板已切缝孔，底端放置在深300 mm 的柱窝内。敷设钢筋网时，采用2 片网中间夹双层风筒布，起封闭及防止采空区漏风作用。待顶板稳定后，使用高分子固化材料进行喷涂，堵漏。如图4。

图4 架后挡矸临时支护侧视图（mm）

3）成巷稳定区挡矸支护（架后300 m 之后）：通过分析201 工作面顶板压力现场观测数据，工作面架后300 m 范围外为顶板稳定区域，可对单体支柱进行回撤，隔一排撤二排。回撤后再等待顶板稳定7 d 以上，当顶板下沉量小于1 mm/d 后，将单体液压支柱全部回撤，然后每隔100 m 安设1 台KBU300 顶板移近量动态报警仪，作为信号柱使用。

4 切顶卸压沿空留巷效果

为掌握202 工作面胶带顺槽沿空留巷效果，在巷道内每隔100 m 布置一组巷道表面位移测站，对巷道表面变形情况进行了为期50 d 的实时观测，以1#和2#测站观测到的数据为例，对切顶卸压后巷道表面位移情况进行分析。1#和2#测站观测结果如图5。由图5可知，202工作面胶带顺槽切顶卸压50 d内，巷道顶底板和两帮最大相对移近量分别为112.35 mm和86.41 mm，巷道表面变形在允许范围内。此外，巷道内未发生漏矸和漏风现象，表明所采取挡矸及防漏风措施效果良好。

5 结语

1）针对金辛达煤矿202 工作面工程地质条件，提出了202 工作面胶带顺槽“切顶卸压+恒阻大变形锚索补强支护”的切顶卸压沿空留巷方案；

2）提出采用双向聚能预裂爆破技术进行预裂切顶卸压，并对切顶炮孔参数及装药结构进行设计；

3）基于巷道原支护参数及不同位置处巷道特征，将留巷段划分为超前加强支护区、架后临时加强支护区、成巷稳定区，并设计了针对性支护方案。4）现场应用结果表明：切顶卸压后2 个月内，巷道表面变形量在允许范围，且无漏矸和漏风现象发生，沿空留巷效果良好。