王 飞
(山西煤炭运销集团 古县东瑞煤业有限公司，山西 临汾 042405)
由于多年高强度开采，诸多老矿区煤炭资源已开采殆尽。沿空留巷技术因取消相邻工作面间区段保护煤柱的留设，可以有效减少煤炭资源损失量，延长矿井服务年限，已在许多矿区成功应用并取得了良好的经济效益[1-3]。本文以东瑞煤业为工程背景，对薄煤层工作面沿空留巷技术进行分析研究。
东瑞煤业有限公司隶属于山西煤炭运销集团，位于山西省临汾市古县北平镇贾寨村，目前主采2号煤层。2号煤层厚度为0.8～1.0 m，平均0.89 m，不含夹矸，结构简单，全井田稳定可采。直接顶为泥岩，平均厚度2.1 m，老顶为中砂岩，平均厚度2.8 m，直接底为泥岩，平均厚度1.8 m，老底为细砂岩，平均厚度3.6 m.
由于东瑞煤业有限公司现有煤炭资源即将回采完毕，为有效延长矿井寿命，提出采用沿空留巷的方式减少因留设区段煤柱造成的煤炭资源损失。考虑到2号煤层厚度较小，采用传统的充填沿空留巷方式不仅成本高，而且施工难度较大，充填工序与工作面回采工序相互之间干扰较大，不利于矿井安全生产。经多方调研，决定采用切顶卸压无煤柱自成巷技术实现沿空留巷。
切顶卸压无煤柱自成巷技术工艺流程相对简单[4-5]，在工作面回采前，采用高强锚索对沿空巷道进行补强支护；
然后采用定向爆破的方式将巷道顶板岩层与采空区顶板岩层切断，使得工作面回采后采空区顶板垮落时巷道顶板仍能处于较为稳定的状态；
工作面回采后，在采空区边缘及时架设工字钢及金属网，形成挡矸结构避免采空区垮落矸石涌入沿空巷道；
同时在滞后工作面200 m范围内，支设密集单体支护，防止留巷段受采动及矿压影响导致巷道围岩失稳；
当滞后回采工作面200 m范围以外时，由于留巷段距离工作面较远，受工作面回采扰动较小，且采空区上覆岩层也逐渐趋于稳定，留巷段围岩基本不再受动压影响，此时可将留巷内单体支柱撤除，仅保留工字钢及金属网做挡矸支护即可。
根据东瑞煤业2号煤层现场地质条件及巷道布置，选择2101轨道巷为试验巷道，将2101轨道巷保留下来作为2103胶带巷。
2.1 高强锚索补强支护设计
2101轨道巷为矩形巷道，巷道断面为宽×高=4.2 m×2.8 m.原设计支护方案如下：顶板锚杆选用D20 mm×2 000 mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×1 000 mm，顶锚索规格为D18.9 mm×6 200 mm，间排距为1 800 mm×3 000 mm，帮锚杆选用D20 mm×2 000 mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距为1 200 mm×1 000 mm.为防止工作面回采后，巷道顶板岩层失稳垮落，因此设计在距离切顶侧200 mm位置布置1排高强锚索，规格为D18.9 mm×7 000 mm，间距为1 000 mm，巷道支护形式见图1.
图1 巷道支护形式(mm)
2.2 切顶方案设计
切顶的目的是切断巷道顶板岩层与采空区顶板岩层的直接联系，当工作面回采后，减小采空区顶板垮落对巷道顶板岩层的扰动，合理的切顶高度可由下式计算：
H高=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)
式中：H高为切顶高度，m；
H煤为采煤高度，取1.5 m；
ΔH1为顶板下沉量，m；
ΔH2为底鼓量，m；
K为顶板岩层碎胀系数，1.3.
在不考虑顶底板变形量时，计算可得：H高=5 m.
综合考虑施工条件及其他成功应用切顶卸压无煤柱自成巷矿井的工程经验，切顶角度为15°时，既有利于采空区顶板垮落，也有利于现场切顶钻孔的施工，因此，切顶钻孔角度设计为15°，深度设计为5 m，如图2所示。
图2 切顶爆破孔设计参数(mm)
2.3 滞后工作面200 m范围内支护设计
在滞后工作面200 m范围内，采用密集单体柱支护巷道顶板，同时在采空区边缘设置工字钢及金属网进行挡矸支护，以免采空区垮落矸石涌入巷道，滞后工作面支护形式如图3所示。
图3 滞后工作面200 m支护方式
2.4 滞后工作面200 m范围外支护设计
当滞后工作面200 m以后，距离工作面较远，受采动影响较小，且上覆岩层基本趋于稳定状态，巷道基本不再受动压影响，因此可将巷道内密集单体支护撤除，仅保留工字钢及金属网组成的挡矸支护即可，如图4所示。
图4 滞后工作面200 m后撤除单体支柱
按照上述设计，在2101轨道巷进行现场试验，为保证定向切顶效果，采用聚能管进行装药爆破。如图5所示，聚能管左右两侧对称开孔，形成爆破弱面，当炸药起爆瞬间，爆轰波沿着聚能管开孔方向传递，从而达到定向聚能爆破的效果。
图5 定向聚能爆破原理
为保证爆破效果，现场借助钻孔窥视仪进行了爆破效果窥视，以便及时根据爆破效果及岩性变化，调整炸药数量，达到较好的爆破效果，如图6所示。
图6 现场爆破窥视图
为验证现场留巷效果，在2101轨道巷滞后工作面每隔50 m布置1个综合监测站，对巷道顶板下沉量、高强锚索受力及密集单体支柱工作阻力进行实时监测。为防止撤除留巷段密集单体后，顶板失稳，当巷道顶板下沉量、高强锚索受力及单体工作阻力基本稳定后，表明上覆岩层基本趋于稳定，不再对巷道产生动压影响，此时才可将密集单体支护撤除，仅保留挡矸支护结构。现场监测结果如图7所示。
图7 现场监测曲线
如图7所示，在留巷初始阶段，滞后工作面20 m范围内，由于距离工作面较近，受工作面采动影响较大，且受采空区顶板岩层垮落影响，巷道顶板变形剧烈，下沉量变化很快，锚索受力及单体工作阻力也呈现急剧增大的趋势；
滞后工作面20～150 m范围内，随着工作面向前推进，距离工作面越来越远，受工作面扰动逐渐减小，上覆岩层也逐渐趋于稳定，巷道顶板下沉幅度逐渐减缓，锚索受力及单体工作阻力也呈现缓慢增大逐渐趋于稳定的变化趋势；
当滞后工作面150 m后，巷道受工作面采动影响几乎可以忽略，且采空区垮落矸石已逐渐压实，对上覆岩层起到有效的支护作用，上覆岩层基本处于稳定状态，巷道围岩不再受到上覆岩层动压影响，因此巷道顶板基本不再下沉，锚索受力及单体工作阻力也趋于稳定。按照原设计，滞后工作面200 m后，可将密集单体支柱撤除，仅保留挡矸支护结构即可。按照现场监测数据，综合考虑生产安全，留巷初始阶段仍按原设计，滞后工作面200 m后开始撤除密集单体支柱，在后续留巷过程中，可逐渐减小密集单体支柱支护范围，但单体支柱支护范围不得小于150 m.撤除单体支柱后，现场留巷效果如图8所示，留巷效果较好，可以满足现场的安全生产需求。
图8 现场留巷效果
1) 为防止切缝侧巷道顶板下沉量过大，在距离采帮200 mm位置布置1排高强锚索，规格为D18.9 mm×7 000 mm，间距为1 000 mm.
2) 合理的切缝角度为15°(与竖直方向)，切缝深度为5 m.
3) 在2101轨道巷进行现场试验，通过对巷道顶板下沉量、锚索受力及单体支柱工作阻力进行现场监测，结果表明：在滞后工作面150 m以后，巷道围岩趋于稳定，且留巷效果良好，可以满足现场的安全生产需求。
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