淺埋中厚煤層堅硬頂板沿空留巷切頂及支護技術研究

王冠虎

（山西汾西礦業集團鑫順煤業，山西 晉中 032600）

1 工程概況

山煤國際鑫順煤業4101 綜采工作面蓋山厚度90～120 m，工作面位置位于4102 膠帶順槽以東，軌道下山以北，開采的4#煤厚度1.2～1.8 m，平均1.53 m。4101 工作面走向長535 m，傾斜長150 m，工作面煤層為一單斜構造，地質構造較簡單。4101 綜采工作面推廣使用“沿空留巷”技術，4101 膠帶順槽按照“沿空留巷”設計布置。如圖1。

圖1 工作面采掘工程平面圖

2 沿空留巷巷旁充填支護設計

4101 膠帶順槽采用錨網梁+錨索聯合支護方式，巷道凈寬5.5 m、凈高1.7 m，設計沿空留巷寬度4.0 m。4101 工作面膠帶順槽沿空留巷采用高水材料凈漿充填，水灰比1.5:1。根據4101 工作面膠帶順槽頂板巖層情況和以往的工程實踐[1]，初步設計確定巷旁支護體寬度為1.5 m，4101 工作面平均每天回采6 m，每天充填兩個充填體，每個充填體尺寸為：3 m×1.5 m×1.7 m（長×寬×高），一個充填體需要高水材料4.5 t。充填體結構示意圖如圖2（a）。采用對拉錨桿進行充填體的加固，對拉錨桿采用Ф20 mm 的螺紋鋼材料制作，間排距為600 mm×800 mm，采用Ф14 圓鋼焊制的鋼筋梯子梁，鋼筋網要求使用Ф6.5 mm 的鋼筋加工。對拉錨桿、鋼筋梯子梁加工尺寸如圖2（b）。

圖2 巷旁充填體加固工藝示意圖（mm）

4101 綜采工作面機頭支架拉架后，待充填區域頂板需要進行臨時支護。如果頂板較完整、穩定，可在排頭架前鋪網，架后單體臨時支護，其中鋪網范圍為膠帶順槽邊緣向采空區5 m 范圍，排頭架后單體液壓支柱間排距800 mm×1000 mm，每排4 根。如果拉架后頂板較破碎，需在架前順槽邊緣向采空區5 m 范圍內鋪網，并在拉架前緊跟支架補打錨桿進行及時支護，頂板錨桿Ф20 mm、長1600 mm，間排距800 mm×900 mm，單體液壓支柱間排距800 mm×1000 mm，每排4 根。

3 切頂卸壓關鍵參數的確定

為減小充填體上部頂板壓力，改善沿空巷道應力狀態，在4101 工作面回采前，在膠帶順槽靠煤壁側預先施工鉆孔并進行聚能爆破預裂頂板，工作面回采后頂板將在預裂位置斷裂，使得充填體及巷道處于應力較小的環境中。影響預裂效果的主要參數為裝藥量、鉆孔深度、傾角、封孔長度、間距等，參照相似地質條件下相應研究成果[2-3]，設計采用Ф35 mm、長度200 mm 的乳化炸藥，采用毫秒延期雷管進行引爆。根據工作面頂板巖層巖性及厚度，確定切頂的目標層位為細砂巖直接頂和基本頂，兩組巖層的平均厚度為10.73 m。為保障切落頂板的順利垮落，設計炮孔打設角度為仰角70°，由此確定鉆孔深度為11.5 m，炮孔直徑38 mm。根據一般情況考慮，封孔長度應為鉆孔總長度的0.25～0.3，初步設計封孔長度為4.0 m，裝藥長度為7.5 m，采用連續裝藥方式，正向裝藥結構，每個鉆孔需要17卷乳化炸藥。結合炮孔參數選擇與其匹配的D 型聚能管，管徑28 mm，單節長度1.5 m。

爆破鉆孔的布置間距對于切頂卸壓效果非常關鍵[4]。為確定最為合理的爆破鉆孔布置間距，設計在4101 膠帶順槽進行爆破試驗，設計鉆孔布置間距為500 mm、600 mm、700 mm，每個方案需施工9 個鉆孔，其中5 個爆破孔，1#、3#、5#、7#、9#鉆孔。試驗鉆孔布置方案如圖3。

圖3 爆破鉆孔試驗方案示意圖

爆破試驗實施地點為4101 膠帶順槽距離開切眼40 m 處，方案的執行順序為炮孔間距L=700 mm、L=600 mm、L=500 mm，每個方案中的5 個鉆孔同時一次性起爆，通過鉆孔窺視的方法觀測圍巖內裂隙發育情況。爆破孔及空孔裂隙發育情況如圖4。

圖4 窺視結果中所示長度為窺視圖像距孔口距離。分析可知，炮孔間距為700 mm 時，在孔深7.51 m 處出現兩條對稱的縱向裂隙，其余深度爆破孔及導向孔巖壁完整性較好，裂隙基本不發育，爆破效果不是很理想；炮孔間距為600 mm、500 mm時，爆破孔及導向孔全孔深范圍內出現較多的縱向裂隙，裂隙基本均沿鉆孔橫向布置方向且基本呈對稱分布，除裂隙發育的部分外，巖體完整性較好?？傮w而言，定向聚能爆破效果良好，可在鉆孔間形成連續的裂隙弱面，說明爆破孔布置間距為500 mm、600 mm 條件下爆破效果較理想?？紤]施工進度及經濟效益，確定最佳炮孔間距為600 mm。爆破孔布置詳見圖5。

圖5 4101 膠帶順槽切頂鉆孔布置示意圖（m）

4 應用效果

4101 膠帶順槽采用上述支護及切頂措施留巷期間，間隔50 m 設置礦壓監測站，以距開切眼200 m 處測點為例，收集整理此處測點數據，得到圍巖變形情況如圖6。分析可知，超前回采工作面0～30 m 期間，巷道表面開始出現輕微的變形，圍巖整體穩定；滯后工作面0～110 m 期間，頂底板變形量快速增大，而兩幫的變形一直持續至滯后回采工作面200 m，在此期間采空區頂板劇烈運動，導致巷道內礦壓顯現明顯；滯后工作面110～250 m 期間，頂底板變形量基本保持穩定，頂板下沉量穩定在460 mm，底板底鼓量穩定在50 mm；滯后工作面200～250 m 期間，兩幫變形量基本保持穩定，實體煤幫及墻體側內移量均保持在60 mm 以下?？傮w而言，巷道表面變形量屬正常，沿空留巷圍巖整體收斂變形保持在較低水平，達到較好的留巷支護效果。

圖6 留巷期間圍巖變形曲線

5 結語

以鑫順煤業4101 工作面開采為工程背景，對4101 膠帶順槽巷旁充填關鍵參數進行設計，確定充填體尺寸長、寬、高為3.0 m、1.5 m、1.7 m，高水材料水灰比1.5。借助理論分析計算、工程經驗確定爆破預裂切頂卸壓鉆孔深度、封孔深度、裝藥量等主要參數，設計現場試驗并通過鉆孔窺視分析爆破效果，最終確定炮孔最佳間距為600 mm。礦壓監測表明，留巷期間頂底板移近量保持在600 mm以下，兩幫移近量保持在120 mm 以下，巷道表面圍巖變形屬于正常礦壓顯現，留巷效果較理想，所設計巷旁支護及切頂方案合理有效。