辜志强，胡俊霞
(四川省煤炭设计研究院，成都 610000)
某矿3124N采煤工作面煤层总厚0.84～3.06 m，平均1.48 m，属于龙潭组一段中部。纯煤总厚0.78～2.96 m，平均1.39 m，普遍为1.21～1.60 m。通过钻孔取样可知，薄煤层在可采见煤点中占比29.1%，主要分布于工作面南侧区域。煤层夹矸数量1～2层，矸石岩性一般为泥岩、砂质泥岩，厚度0.06～0.14 m。该区域地层受背斜影响，煤层有一定的倾斜角度，且分布规律明显，倾斜角度在6°～12°，平均角度为8°。煤层顶板复合特点显著，且岩层组合变化大，导致巷道支护设计难度大。
超前切顶是一种沿空留巷的新技术，利用深孔预裂爆破，将巷道上方顶板与采空区顶板切出裂缝，改变顶板岩层力学结构，减少采空区来压对巷道顶板所施加的压力，避免预留巷道被来压破坏[1]。此技术主要由采掘面向前推进、预裂顶板和抬棚护巷3部分组成[2]。
采煤作业面向前推进过程中，上部地层由于失去原有的下部煤层和液压支架的承托而下沉，直接顶垮落，基本顶随之下沉，巷道上部岩层主要发生回转变形，对巷道影响很大[3]。一般来说，巷旁支护体很难阻止老顶的旋转压力。通过超前切顶，将沿空留巷上部的顶板与后方采空区的顶板切开，这样在后方垮落时所受影响较小，可保证沿空留巷的完整。
超前切顶是在采掘面旁侧方向上的回风/运输巷道内，预先对顶板进行钻孔和爆破，通过爆破在沿巷道的方向上形成一条裂缝[4]。在采掘面逐步前移过程中，已采区域的上覆岩层失去下部支撑而向下垮落，裂缝处顶板整齐下落形成巷道侧帮，称为切顶柱。超前切顶通过爆破切割顶板避免了采空区垮落对巷道方向的破坏，实现了对巷道的保护[5]。
巷道两侧分别为待采的煤层和采空区顶板垮落形成的切顶柱。按照顶板的破坏周期，岩体A和块体C都会受应力作用而压缩变形，块体B靠采空区一侧较低，靠待采区一侧较高，回转位移，形成弧形三角块结构，如图1所示。
图1 弧形三角块结构模型剖面图Fig.1 Section view of arc triangular block structure model
对于长度超过160 m的长壁工作面，回采过程中，沿空留巷顶板区域悬顶结构跨度与周期来压步距是基本相等的。悬顶结构厚度越大，可保持自稳的侧向长度越大，其整体结构所承担的综合载荷越大，留巷周边围岩偏应力程度也越大，因此可对沿空留巷区域顶板进行爆破、强力支护、定向爆破，做好超前预裂，使顶板沿预定方向产生断裂，使得沿空留巷周边围岩应力有利于顶板稳定，避免巷道受采空区的影响而被破坏[6]。
以该矿工作面实际地质条件为依据建立数值模型，数值模型长度×宽度×高度=300 m×150 m×30 m。除上部顶板以外，在模型的各方向界面上施加约束，巷道平均埋深400 m，巷高2.3 m，巷宽4 m，采用锚网索支护，上覆岩层的原始重力荷载设置为σz=γH=10.0 MPa，原始横向荷载设置为σx=σy=12.0 MPa，采用摩尔-库仑本构准则。在巷道靠工作面侧顶角打切顶钻孔，预裂孔眼深为8 m，倾角为5°，直径50 mm。
为与现场实际相符，计算模型进行巷道支护并留设充填体，对综采工作面进行开挖。对综采工作面切顶与未切顶两种情况进行对比分析，模拟两种条件下的沿空留巷周边应力环境，如图2所示。
图2 切顶与未切顶工作面巷道围岩应力分布对比图Fig.2 Comparison of surrounding rock stress distribution in roadway with and without roof cutting face
由图2可知，工作面开挖结束后，切顶后的综采工作面回采巷道围岩应力较低。开挖后的采空区顶板沿着切顶线断裂开始下沉，巷道上方顶板在采空区侧跨度较小，上覆岩层对顶板的压力也较小，巷道顶板只发生轻微的回转变形，巷道煤壁侧煤体所受的应力较小，在巷道煤壁侧煤体内部2.5 m处出现垂直应力集中现象，最大垂直应力为16 MPa，在巷道底板出现最大水平应力为12 MPa。工作面开挖结束后，未切顶的综采工作面回采巷道围岩应力相对较高，工作面开挖后顶板下沉，巷道顶板发生剧烈的回转变形，在3.5 m处应力集中，最大水平应力为60 MPa，巷道煤壁侧煤体内部1.8 m处出现最大垂直应力为28 MPa。
3.1 超前加固支护
沿空留巷选用抬棚形式进行支护，两根单体支柱与一根工字钢相组合，支柱选用DW35-250/100X型号，钢梁选用11号工字钢，长度3.8 m。钢梁垂直工作面走向均匀布置，每0.8 m布置1根钢梁，共布置25根，单体要求垂直布置，支架顶梁要求与顶板平行，角度偏差小于8°。
3.2 切顶长锚索超前支设
预切顶锚索超前工作面煤壁50 m进行施工，采用锚索+14#槽钢+“W”钢带加强支护，锚索距回采面煤壁西帮500 mm，锚索长度9.2 m，采用3条ck2370树脂锚固剂锚固锚索，锚固长度2.1 m，单排布置，间距1.6 m，锚索锚固力不小于12 t。
3.3 钻孔布置
钻孔位置布设于巷道顶板距离采空区侧0.2 m处，预裂孔的孔径为50 mm，孔距为0.5 m，眼深为5～8 m(施工至K2煤层以上1 m)，钻孔位于同一条直线上，钻孔倾斜向上，与垂直面成15°指向采空区。
预裂钻孔的装药选用乳化炸药和毫秒微差电雷管。通过计算得到单个炮孔内需要放置炸药0.9～1.8 kg。爆破方式选用分段爆破，按照工作面推进速度确定单次起爆范围小于5 m。装药方式选用轴向耦合装药，为加强切缝的作用，选用管体两侧开有聚能孔的PVC管，尺寸要求为外径Φ40 mm，内径Φ36 mm，管长2.0 m，聚能孔直径为5 mm，孔距为20 mm，指向切缝方向。要求管体强度符合要求，不会被爆破炸损而影响切缝效果。
3.4 支护效果分析
随着沿空留巷工作的不断推进，采用监测设备对沿空留巷顶板进行深部位移监测，对顶板的2 m和8 m两个高度处分别进行监测，得到不同层位的沉降特点。巷道成型48 h内在顶板上安装监测设备，监测共布置4组测站，每组测站相隔20～30 m。不同测站的位移监测数据如图3所示。
图3 各测站位移量变化数据Fig.3 Displacement change data of each measuring station
从图中可知，观测期间，0～2 m围岩位移量为25～43 mm，2～8 m围岩位移量为48～63 mm，沿空留巷整体稳定性较好。从位移量随时间的变化来看，监测初期位移增长速度较快，35 d以后位移量变化较小，说明顶板逐渐稳定，锚索支护效果较好，经测试，95%以上符合要求，工作效率增加了10%～38%。
智能化综采3124S工作面回采巷道顶板复合特点显著，且岩层组合变化大，采用沿空留巷超前切顶加固技术并对支护参数优化后，上覆岩层位移量为30～60 mm，下沉大多出现在0～2 m的下部岩层，沿空留巷整体稳定性较好。从位移量随时间的变化来看，监测初期位移增长速度较快，35 d以后位移量变化较小，说明顶板逐渐稳定，切顶长锚索锚固力合格率超过95%，沿空留巷进度提升了10%～38%，大幅提高了留巷效率，满足了智能化快速推进的需要。
猜你喜欢 空留巷切顶岩层 庄子河煤业切顶卸压沿空留巷关键参数研究煤炭与化工(2022年7期)2022-08-16马兰矿坚硬顶板切顶充填留巷围岩变形研究山西冶金(2022年3期)2022-08-03东河煤矿切顶留巷参数模拟分析山西焦煤科技(2022年5期)2022-06-28腾晖矿坚硬顶板切顶充填留巷围岩变形研究煤炭与化工(2022年1期)2022-03-19高应力岩层巷道钻孔爆破卸压技术商品与质量(2021年43期)2022-01-18204 沿空留巷快速维修技术研究与应用科海故事博览(2021年29期)2021-11-10综采放顶煤沿空留巷矿压规律分析山西煤炭(2021年2期)2021-06-25沿空留巷巷旁充填体宽度与支护技术研究山东煤炭科技(2021年5期)2021-06-05岩层真厚度计算公式推导与编程中国金属通报(2021年4期)2021-05-20“串层锚杆”加固的反倾层状岩质边坡稳定性分析人民长江(2021年12期)2021-01-16