沿空切顶自成巷无煤柱开采支护技术研究

摘要：分析了沿空切顶成巷无煤柱开采关键技术以及巷道临时支护范围，针对沿空切顶成巷巷道临时支护存在支护工序复杂，对巷道顶板反复支撑破坏，移动操作繁琐，劳动强度高，安全系数低的问题，提出采用新型巷道临时支护支架，采用数值模拟分析了临时支护支架使用效果，充分发挥临时支护支架的承载作用，实现沿空切顶成巷巷道无反复支撑，确保巷道完整性避免造成生产成本浪费，降低劳动强度，实现矿井绿色、安全、高效开采。

Abstract： This paper analyzes the key technology of coal-free column mining along the empty cut top into the lane and the temporary support range of the laneway， for the temporary support process along the empty cut top into the laneway， the existence of support ingress process is complex， the roadway roof board is repeatedly supported and destroyed， the movement operation is cumbersome， the labor intensity is high， the safety factor is low， the problem of using the new laneway temporary support bracket is proposed， The use effect of temporary support bracket is analyzed by numerical simulation， the carrying function of temporary support support is given full play， no repeated support is realized along the empty cut-top laneway， and the integrity of the laneway is avoided from causing waste of production costs， reducing labor intensity， and realizing the green， safe and efficient mining of the mine.

关键词：沿空切顶成巷;无煤柱开采;巷道临时支护;无反复支护技术;巷道围岩控制

Key words： cut the top down the alley along the empty;none-pillar mining;laneway temporary support;none-pentonom-free support technology;entry surroundings control

中图分类号：TD353                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）11-0146-04

0  引言

我国煤炭开采普遍采用长壁综采技术，相邻工作面之间留设保护煤柱，煤炭资源浪费严重，同时工作面巷道掘进工作量大也造成了采掘衔接不平衡，影响了采煤工作面的有效接续，同时大量的掘进工作也存在不同程度的生产安全隐患。近年來许多矿井开采研究沿空成巷无煤柱开采技术[1]，该项技术的应用不仅提高资源回采率，延长矿井服务年限，在高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井，可以实现Y型通风，消除回风隅角瓦斯积聚，改善矿井安全条件，降低巷道掘进工作量，简化工作面接续程序等优点[2]。

沿空切顶巷道在成巷过程中的临时支护而言，目前仍存在着一些问题，如支护工艺复杂、材料消耗量大、所需劳动力多、支护成本高、对巷道破坏程度高等。采用新开发的ZQL2820/22.5/38型巷道临时支护支架+WCL5Y防爆柴油机履带式运输车对沿空切顶留巷实现无反复支撑，能够避免对巷道锚网索支护系统造成破坏，保证沿空留巷顶板[3]、巷道整体的完整性、稳定性，同时操作简单、支护效果好，避免造成生产成本浪费，降低劳动强度，对于改进提高沿空切顶成巷无煤柱开采工艺水平，实现矿井绿色、安全、高效开采具有重要意义。

1  地质条件

1226综采工作面主采2#煤层，煤层标高在+464～+508之间，2#煤位于山西组的中下部，呈一组煤，位于山西组第二沉积旋回系列中，上距上石盒子组底界砂岩（K10）约118m，距K8砂岩约27.4m，下到K7砂岩11.7m，至K4灰岩约40m左右，可采走向长度1562.75m，倾向长度180.5m，实体长176m。煤层厚度平均为2.85m，煤层倾角0～4°，夹矸岩性多为含炭质泥岩或泥岩，有时为泥砂岩，顶板岩层由粉砂质泥岩和粉砂岩，直接底粉砂岩，老底含砂泥岩组成，顶板的的岩性和煤层局部地区变化较大。

2  顶板预裂切缝与恒阻大变形锚索设计

采用双向聚能爆破预裂技术[4]+恒阻大变形锚索[5]技术，可以达到实现预裂的同时又可以保护巷道顶板的完整性。依据1226工作面运输巷侧煤层及上覆岩层分布，根据确定的切缝孔基准线H缝设计为7.5m，结合巷道顶板岩性分布对1226工作面进行留巷工程区划分如图1所示。

从图1中可以看出按切顶高度可以分为A、B两个区。其中A区总长1042m，切顶高度10m;B区总长505m，切顶高度11m。为了保证切顶过程和周期来压期间巷道的稳定性，在对巷道顶板进行预裂切顶前采用恒阻大变形锚索[5]补强加固。为使恒阻锚索在留巷的过程中发挥较好的懸吊作用，同时有效保护锚固端，因此恒阻锚索长度一般设计为H缝+2.0m+外露长度（0.3m），并确保锚固端位于较稳定岩层内，恒阻锚索设计长度分别为12.3m（A区）、13.3m（B区）。

3  巷道临时支护设计

3.1 支护方式以及支护范围分析研究

工作面推进过程中，不同位置巷道受采动影响不同。工作面超前段会受到超前压力的影响，需要进行超前临时支护;工作面随着开采推进，顶板开采垮落，从垮落到稳定需要一定的时间，距工作面较近的架后区域需要进行顶板支护以及挡矸支护。随着工作面继续推进，当巷道距工作面较远时，顶板运动基本会趋于稳定，需要挡矸支护即可。

根据现场监测数据，将工作面附近划分为三个区：超前支护区（工作面前方30m），架后临时支护区（架后0m～200m）和成巷稳定区（架后200m之后），不同分区根据需要采取不同的支护措施，分区如图2所示。

3.2 临时支护设计

临时支护区域范围长度约230m，宽度4.7m，高度3.5m，根据支护方式以及区域的不同分为超前支护区与架后临时支护区，需要进行有效支护，维护巷道顶板的完整性。传统的单体支护方式，支护工序复杂，劳动强度高，安全系数低;整体式与分体式超前支架组不能避让巷道顶板的锚索、锚杆，反复支撑对顶板永久支护具有很强的破坏，不利于成巷稳定后巷道顶板的完整性，在使用过程中操作复杂，灵活性差;单元支架[5]对巷道顶板支护面积小，搬运复杂，劳动强度大。针对以上问题开发设计新型的门式巷道临时支护支架对超前支护区与架后临时支护区进行临时支护（如图3所示）。门式支架采用2台WCL5Y防爆柴油机履带式运输车分别在超前支护区与架后临时支护区进行交替循环运输，并为门式支架提供乳化液动力源，可实现230m巷道无反复支撑，保证了顶板的稳定性。具体支护方式如下：

①超前支护区位于工作面超前采动影响区，需超前加强支护，采用ZQL2820/22.5/38型巷道临时支护支架进行超前支护，支护距离31m，架间距1.8m，避开巷道顶板锚杆及锚索支护，共计18架，支护强度约0.35MPa。

②架后临时支护区位于工作面超后影响区，采空区顶板岩石垮落会对巷道顶板产生一定的摩擦作用，巷道受动压影响明显，顶板压力较大。在架后0～200m范围内，顶板需要临时加强支护，采用ZQL2820/22.5/38型巷道临时支护支架+U型钢进行超后支护。为防止在动压作用下碎石帮挤压U型钢挡杆向巷内移动，并能够对顶板提供较大的支护阻力，采用ZLC2820/22.5/38型巷道临时支护支架进行加强支护，支护距离200m，架间距1.0m，共计200架，支护强度约0.6MPa;为防止采空区的矸石蹿入巷道，采用钢筋网与可伸缩U型钢进行联合挡矸支护，可伸缩U型钢排距500mm。

3.3 临时成套支护装备的技术特点

①采用无轨胶轮运输车交替循环搬运临时支护支架，可实现对顺槽巷道顶板的超长距离的无反复支撑，工艺技术先进，机械化程度高，适应性强，安全性高。

②无轨胶轮运输车双向前后两个驾驶室，可以双向操作行驶;运输车上设置专用升降、回转及夹紧机构，确保支架安全运输以及安全支护;车载独立乳化液泵站，控制系统采用快速插装自封式，确保整架无液压管路外露，保证操作人员的安全性。

③临时支护支架结构简单，支护强度大，通过调节架间距，满足不同巷道压力变化的要求;支架梁体采用窄型设计，避免破坏锚杆与锚索;支架立柱采用球型铰接设计，满足巷道起伏不平的要求。

4  支护效果分析

为分析沿空切顶成巷开采临时支护区域支护效果，分析超前、成巷区域支护强度合理性，建立回采工作面沿空留巷三维数值模型[6]，按照工作面尺寸、巷道尺寸及顶底板条件赋值参数，编制有限差分程序，根据巷道支护设计，模拟过程中对回采巷道进行锚杆（索）支护，结合计算结果，模型模拟煤层及部分上位岩层，剩余上覆岩层以均布载荷代替，建立模型如图4所示。

4.1 超前支护区支护效果分析

①如图5所示，在支护强度为0.35MPa条件下围岩应力主要集中于巷道两帮，最大应力值约为13MPa，巷道顶板上覆岩层在超前支护的作用下出现零应力区，巷道围岩应力分布合理。

②如图6为巷道超前支护范围内围岩变形图，由图可知，超前支护作用下巷道顶板最大下沉量为40mm，位于巷道顶板中部，两帮最大变形量为22mm，巷道整体变形量小。

沿空切顶成巷采用ZLC2820/22.5/38型巷道临时支护支架进行超前支护，通过数值模拟分析，可知在0.35MPa超前支护强度下支架可有效承载上覆岩层应力，缓减巷道帮部破坏变形，巷道整体变形量小，超前支护强度合理。

4.2 成巷区域滞后支护效果分析

沿空切顶成巷滞后支护区域内巷道上覆岩层采空区侧向基本顶已切落，巷道围岩由大变形恒阻锚索、普通锚索及锚杆支护体系与ZQL2820/22.5/38型巷道临时支护支架共同维护，巷道围岩顶板活动剧烈，根据工作面临时支护支架排距为1.0m条件下对巷道围岩的控制效果进行分析，满足沿空切顶成巷的要求。

①如图7所示，沿空切顶巷道围岩破坏区域深度约为1.2m，支架-围岩接触区域主要表现为正在发生剪切破坏，破坏深度约为0.3m，顶板距巷道0.3～0.6m范围内岩层已经发生剪切破坏，上覆岩层距顶板0.6～1.2m范围主要表现为拉升破坏;支架-围岩接触范围以外顶板岩层主要发生主要表现为拉伸破坏，破坏高度为1.2m，巷道底板及帮部破坏主要表现为剪切破坏，底板破坏深度约为5m。

②如图8所示，巷道中部及靠近切顶一侧顶板下沉量为120～140mm，最大下沉量为160mm，靠近实体煤帮下沉量为100～120mm，巷道帮部变形量集中于60～80mm，最大变形量为120mm，位于帮部偏下靠近底板区域，巷道底板最大底鼓量为180mm，位于巷道底板中部区域，巷道临时支护支架在支护过程中有穿底现象，在实际使用过程中应采取措施硬化巷道底板增加底板围岩刚度与强度，使底板-支架-顶板具有良好的耦合效果，充分发挥临时支护支架的承载作用，确保沿空切顶巷道支护效果。

5  结语

根据现有沿空留巷支护工艺及相关支护方式、支护装备的基础上，针对现有的沿空留巷支护工艺装备中存在的不足，对沿空切顶留巷关键技术进行研究，采用ZQL2820/22.5/38型巷道临时支护支架+WCL5Y防爆柴油机履带式运输车对沿空切顶留巷进行加强支护，可实现沿空留巷巷道230m无反复支撑，避免破坏锚网索体，保证了顶板完整性与稳定性，有效保证了沿空切顶成巷后巷道的成型效果，实现沿空留巷工作面临时支护支架快速移动，减轻工人的劳动强度，提高资源回收率。

参考文献：

[1]何满潮，马新根，牛福龙，等.中厚煤层复合顶板快速无煤柱自成巷适应性研究与应用[J].岩石力学与工程学报，2018，37（12）：1-15.

[2]康红普，牛多龙，张镇，等.深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术[J].岩石力学与工程学报，2010，29（10）：1977-1987.

[3]何满潮，陈上元，郭志飚，等.切顶卸压沿空留巷围岩结构控制及其工程应用[J].中国矿业大学学报，2017，46（5）：959-969.

[4]何满潮，曹伍富，单仁亮，等.双向聚能拉伸爆破新技术[J].岩石力学与工程学报，2003，22（12）：2047-2051.

[5]何满潮，高玉兵，杨军，等.厚煤层快速回采切顶卸压无煤柱自成巷工程试验[J].岩土力学，2018，39（1）：254-264.

[6]李刚.较薄煤层履带行走液压支架支护参数确定及应用[J].煤炭科学技术，2015，43（6）：107-111，121.