桑树坪二号井切顶卸压沿空留巷技术应用

付清文

(陕西陕煤韩城矿业有限公司生产技术部，陕西 韩城 715400)

0 引言

沿空留巷技术作为无煤柱护巷开采技术的一个方面，可以起到合理开发煤炭资源、提高回采率、减少掘进工程量、缓解采掘接续紧张的效果。张农[1]总结出“三位一体”围岩控制及墙体快速构筑等沿空留巷围岩控制关键技术；康红普[2]指出深部沿空留巷在顶板断裂位置、基本顶回转及围岩长期蠕变等方面与浅部留巷有很大区别；孙晓明[3]通过数值模拟方法，得出当直接顶岩层厚度远大于采空区高度时，可实现顶板的顺利切落成巷；石建军[4]提出当沿空留巷受到采动影响时，采用合理的锚网支护措施可形成稳定结构，可有效控制顶板合理的悬露长度。

传统的沿空留巷技术，存在围岩稳定、巷旁支护、巷道围岩整体稳定性较差，支护成本较高等问题。巷道切顶卸压沿空留巷作为一种新的无煤柱护巷方法，将顶板断裂线转移至采空区侧，顶板在侧向形成了切顶断臂梁结构，何满潮等[5-7]认为，采用超前双向张拉爆破技术结合巷道内横阻大变形锚杆、索，可控制巷道围岩稳定，得到广泛应用。文章以桑树坪煤矿3302工作面为研究背景，研究了巷道切顶卸压沿空留巷技术在该矿的应用。

1 工作面概况与切顶卸压

1.1 工作面概况

韩城矿业公司桑树坪二号井3302工作面位于韩城井田西北部，南部以15 m煤柱与3301工作面采空区相邻，北部为实体煤层，东部以中央辅助运输大巷煤柱为界，西部以开切眼为实体煤层。工作面倾斜长918 m，切眼宽度195 m，本次试验距离100 m。

伪顶为节理发育、破碎的泥岩，厚度在0.05～0.2 m。直接顶为厚层状节理、裂隙发育的粉砂岩，与3#煤明显接触，厚度在1.5～1.8 m，较致密坚硬。老顶为中、细粒砂岩，厚度在3.0～8.0 m。

1.2 切顶卸压技术原理

当工作面回采完毕后，在回采巷道将要形成采空区侧的顶板定向预裂，切断了顶板的应力传递路径，缩短了顶板悬臂梁的长度，对巷帮、巷旁要加强支护，以保留该区段巷道作为下一个工作面的顺槽，如图1所示。

1-采空区；2-老顶；3-直接顶；Hc-采高；H-直接顶厚度；L-悬臂梁长度；α-砌块夹角；β-破断角图1 切顶卸压原理图

2 关键技术与施工工艺

2.1 关键技术

双向聚能爆破顶板预裂切缝技术：爆破前采用双向聚能爆破装置装药，聚能方向与控制方向平行，对顶板进行定向切缝预裂爆破，回采前保证顶板不垮落，回采后在矿山压力作用下，使顶板沿切缝垮落。

横阻大变形锚索技术：采用横阻大变形锚杆、索，使锚索支护具有一定程度的抵抗形变的功能，同时具备抵抗冲击变形能的功能。

2.2 施工工艺

使用深孔预裂爆破切顶卸压自动成巷技术，将长臂梁切断，可极大减小矿山压力，达到留巷的目的。施工平面布置如图2所示。

图2 切顶卸压施工平面布置图

在煤壁前方对巷道正帮进行注胶，注胶范围为顶板向下3 m，巷道副帮轮廓线向里5 m。注胶布孔采用双排孔上下交叉布局，注浆孔深度为4 m，间距为2 m(排间距误差±100 mm)，上排孔离顶板高度是0.5 m，下排孔离顶板高度为1.5 m，封孔深度为1 m，每孔注胶量为550～650 kg，注胶孔布置如图3所示。

图3 注胶孔布置图

在离巷道副帮向采空区3 900 mm处顺巷道轴向布置一排4.5 m钢带配合φ21.6 mm×10 000 mm锚索进行补强支护，锚索间距800 mm，补强支护与炮眼位置如图4所示。

图4 补强支护与炮眼位置示意图

2.3 预裂孔施工

在3302回风巷煤壁前方副帮向老空侧4 400 mm处，使用MQT-85J31锚杆钻机打设一排深孔爆破钻孔，孔深8 m，孔径42 mm，戗向老空与水平呈80°夹角，间距500 mm。每孔装药量2 100 g(7节400 mm的水胶炸药，每节药量300 g)，爆破参数见表1。

表1 预裂爆破参数

先使用1/2节PVC管捆绑5节炸药一次性送入孔底并采用一发5号雷管引爆，靠近孔口的安置两节炸药采用一发3号雷管引爆。单孔内并联连线，孔与孔间串联连线，正向爆破。两段药和孔口分别采用1 m炮泥封堵。在工作面前30 m外，对炮孔进行爆破，一次爆破5个炮孔。装药结构如图5所示。

图5 装药结构示意图

2.4 支护

顶板爆破完毕后对巷道全断面拉底，拉底深度3 m。副帮使用φ32 mm×3 500 mm自巩固锚杆配合托梁、冷拔丝网进行支护，间排距700 mm×800 mm；正帮使用φ20 mm×2 000 mm玻璃钢锚杆进行支护，间排距700 mm×800 mm。拉底支护完毕后安装自移支架；支架前移后，在支架尾梁后在距补强支护采空区侧200 mm处打设一排间距为400 mm的U型钢挡矸柱，同时在老空侧挂上冷拔丝网进行挡矸，挡矸柱必须支设在实底上。

3 支架支护技术

3.1 钢管砼+折叠支架+端头支架支护

支柱主要由下钢管支柱、上钢管支柱、混凝土泵管接头、闸阀和插板等组成。砼浆液进入钢管内腔后，随着液面上升，缸内气体经排气孔和内外缸间隙排出。当液体充满钢管支柱活柱内腔，排气孔和内外缸间隙被浆液封闭，在砼泵压力作用下推动活柱向上升起，直至接触顶板。支架支护布置如图6所示。

图6 支架支护布置示意图

3.2 支护强度校核

采场巷道每米高度的支护强度约为0.1 MPa，3302工作面沿空留巷高度6～7 m，支护强度约为0.3 MPa；沿空留巷宽度按4.2 m计算，每1.2 m巷道需要151 t的支承力；受局部切顶效果等影响考虑2倍的安全系数，每1.2 m巷道的支承力最高需要302 t。

现有支护设计下，砼支柱承载能力为240 t，折叠支架承载能力为60 t，普通锚索承载能力为40 t，加强锚索承载能力为35 t，支护能力为375 t，巷道现有支护可以满足沿空留巷支护强度要求。

4 结论

(1)采用深孔预裂爆破切顶卸压自动成巷技术，将长臂梁切断，可极大地减小矿山压力，对巷帮、巷旁加强支护，可保留该区段巷道作为下工作面的顺槽。

(2)采用钢管砼支柱与大步距、移动式折叠支架联合支护技术，结合注浆加固煤体技术与锚索加固顶板技术，解决了桑树坪二号井沿空留巷的围岩控制难题。