超前预裂采空顶板沿空留巷技术的应用

冯世超

（冀中能源股份有限公司，河北 邢台054000）

1 概 况

葛泉矿隶属于冀中能源股份有限公司，1983年12月开工建设，1989年10月投产，核定生产能力95万t/a，主采煤层为2号、2下、5号煤。随着矿井不断开采，可采储量逐年减少，为提高煤炭资源回收率，延长矿井服务年限，降低万吨掘进率，在132下04工作面运料巷实施超前预裂采空顶板沿空留巷。132下04工作面位于2下煤三采区左翼，西南为2下煤三采区上山，西北为北翼-190 m大巷，东北为2下煤薄煤带边界。工作面平均煤厚1.77 m，顶底板岩性特征见表1。

表1 岩性特征Table 1 Lithologic characteristics

2 顶板预裂卸压方案

工作面回采过程中，采空区顶板垮落不规则，沿空巷道上方形成悬顶，导致老顶与上覆岩层接触力明显降低，进一步造成了老顶的回转变形和下沉，促使沿空巷道产生变形。回采前对巷道工作面侧帮顶板采用高强度锚索、单体支柱进行加强支护处理，布置一系列的预裂钻孔进行定向爆破卸压，使裂缝贯通形成一个裂缝面，待工作面推过后，悬臂梁在采动压力和自身重力的作用下，沿裂缝面发生切落，减小悬臂梁上覆荷载以及旋转变形，减小传递到巷旁和巷内的支护荷载，有利于巷道的稳定和维护。

2.1 预裂切顶钻孔

超前工作面35～50 m，沿工作面侧帮布置顶板预裂切顶钻孔，距离巷道中心线1 550 mm，钻头直径φ48 mm，孔深10 000 mm，孔距600 mm，钻孔与铅垂线夹角20°，钻孔布置如图1所示。

图1 切顶钻孔平面布置示意Fig.1 Layout of top cutting drill holes

2.2 钻孔爆破方式

钻孔爆破方式采用间隔装药，O型聚能管装药爆破。钻孔装药前，先将矿用型乳化炸药装入O型聚能管，然后将O型聚能管装入钻孔，装药完成后采用黄泥封孔，封孔长度3 400 mm。炸药选用矿用型乳化炸药，装药量为4.8 kg／孔，聚能管3根／孔，每根聚能管插2个电雷管引爆，装药量及装药位置如图2所示。

图2 装药结构示意Fig.2 Charge structure

3 沿空留巷支护方案

3.1 巷道规格

132下04运料巷原设计断面为4.0 m×2.4 m（宽×中高），支护方式为锚网支护。留巷后作为下一工作面的运输巷使用，为满足运输、行人、通风等要求，巷道成巷后净断面为3.6 m×2.4 m（宽×中高）。

3.2 支护方案

（1）锚索支护。对132下04运料巷顶板布置切顶锚索和加固锚索。在距上帮1 200 mm位置，施工加固锚索梁，采用φ17.8 mm×6 000 mm钢绞线配2 m-12号槽钢，间距2.0 m。在工作面超前50～70 m，距工作面侧帮1 000 mm处布置切顶锚索梁，采用φ17.8 mm×10 500 mm钢绞线配2.0 m-12号槽钢，间距0.9 m。在巷道上帮距顶1.5 m处施工帮部加固锚索梁，采用φ17.8 mm×4 500 mm钢绞线配2.0 m-12号槽钢，间距1.5 m。锚索布置及间排距如图3所示。

图3 锚索支护平面布置示意Fig.3 Layout of anchor cable support

（2）单体支护。工作面煤壁前方50 m范围施工单体配π型钢加强顶板支护，一梁三柱，排距0.5 m。单体支柱初撑力不低于90 kN，并要迎山有力。顶板与π型钢之间采用木料褙实。

（3）巷帮支护。为防止空区矸石窜入巷内，在工作面侧帮施工单体+十字顶梁+靠帮梁护帮，并吊挂5.0 mm×1.0 mm（长×宽）双层金属菱形网护帮，金属网吊挂时长边垂直巷道，一端采用锚杆固定于顶板，锚杆采用φ20 mm×1 000 mm螺纹钢锚杆。巷帮支护如图4所示。

图4 巷帮支护示意Fig.4 Roadway side support

3.3 支护强度校验

在动压影响的巷道中，沿空留巷是受影响最大的一类巷道。被动支护的工作状态，对沿空留巷的围岩变形影响很大，是沿空留巷成败的关键。一般情况下，单体梁提供的支护阻力，应能避免直接顶板与其上部岩层之间产生明显离层，以及岩层断裂发生错动，保证上覆岩层运动趋向缓和，很快使单体梁与围岩处于相对平衡状态，有效地控制顶板下沉。在极端的情况下，假定锚网支护失效，直接顶沿巷道煤帮处断裂，岩层之间力的联系完全丧失，直接顶的全部重量都作用在单体梁上。

（1）控顶区内的单位面积荷载。

式中：M为采高，取2.4 m；B'为直接顶从巷道煤帮到切顶线的悬壁长度，即4.0 m；B为巷道宽度，4.0 m；kp为垮落矸石的初始碎胀系数，一般为1.25～1.5，取1.25；γ为顶板岩层平均容重，取25.2 kN/m3。

带入数据，得出P=0.242 MPa。

（2）单位面积沿空留巷单体数量。

式中：N1为上帮每排单体数量，取2；N2为下帮每排单体数量，取2；L1为上帮侧单体排距，取0.5 m；L2为下帮侧单体排距，取0.5 m。

代入数据，得出a=2.22根/m2。

（3）单位面积支撑力。

式中：F为单体额定工作阻力，取350 kN。

0.777 MPa＞0.242 MPa，满足支护要求。

4 施工工艺

超前预裂采空顶板沿空留巷施工工艺见表2。

表2 施工工艺流程Table 2 Construction process flow

5 支护效果

截至2020年底，葛泉矿132下04工作面运料巷实施超前预裂采空顶板沿空留巷200 m，通过围岩表面位移、锚杆受力状态、顶板离层以及围岩深部位移等矿压观测手段，留巷区域顶底板及两帮移近量均控制在200 mm范围以内，矿压显现不明显，留巷效果良好，提高了资源回收率，减少了巷道工程量，降低了万吨掘进率，缓解了矿井接续紧张的局面，为类似地质条件下的矿井提供了借鉴。