顺槽沿空留巷弱化孔切顶及加强支护技术应用研究

刘晓龙

（山西科兴能源发展有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概况

山西科兴能源发展有限公司主采的15 号煤层厚度约2.2～2.9 m，煤层倾角3°，有一层夹矸约0.2～0.4 m，结构较简单，属稳定可采煤层。顶板为粉砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩，中厚层状，含有少量云母片，厚度3.8～5.4 m；底板为灰色粉砂岩，含有大量植物根茎化石，厚度2.4～3.6 m。15#煤层及顶底板岩层均较松软，属于典型的“三软”煤层。15113 工作面位于井田的南部，南为规划的15115回采面，西为主要大巷，东为二采区开拓巷道，北为15111工作面。为减少巷道掘进量、节约留巷成本，对15113 运输顺槽沿空留巷无煤柱开采技术展开研究。15113 工作面采掘布置图如图1。

图1 15113 工作面采掘布置图

2 沿空巷道支护方案设计

2.1 留巷切顶阶段支护研究

采用无煤柱沿空留巷技术时，回采工作面及其后方一定范围内的沿空巷道围岩稳定是支护的重点，该区段采空区上覆岩层垮落下沉，沿空巷道顶板与采空区岩层之间破断，沿空巷道顶板岩层向采空区侧回转下沉，此阶段为切顶留巷的重要环节，此时是考验巷道支护的最关键时期，因此可通过此时所需的支护阻力来设计巷道支护方案。参考相关研究成果[1-2]，切顶阶段巷道顶板的力学模型如图2。

沿空巷道一侧工作面基本顶AC 岩块受到采空区上方基本顶的水平推力Tc：

式中：l为基本顶断裂步距，根据邻近工作面周期来压情况，取15 m；q为上覆岩层给予基本顶的垂直应力及其自身重力，240 N/m；h为基本顶厚度，为5.9 m；ΔSc为基本顶AC 岩块靠近采空区一侧端点的下沉量，ΔSc=M-t·（kp-1），M为工作面采高2.3 m，t为直接顶厚度3.5 m，kp为上覆岩层的碎胀系数1.4，计算得到ΔSc=0.9 m。代入式（1）计算可得Tc=229.89 N/m。

邻近接替工作面煤帮提供的垂直应力σy计算公式[3]：

式中：σy为煤帮内垂直应力，MPa；M为工作面采高，2.3 m；C为煤层粘聚力，1.87 MPa；φ为老顶内摩擦角，23°；ξ为系数，ξ= (1 + sinφ) (1 - sinφ)，计算得到ξ=2.28；f为摩擦系数，f=tanφ=0.42；γ为上覆岩层容重，25 kN/m3；H为工作面埋深，350 m；k为应力集中系数，2.5；Pi为单体液压支柱支护阻力；k为应力集中系数，2.5。

分别建立岩块AB、BC 的受力平衡方程，岩块BCΣFy=0，即：

岩块BC 水平方向受力平衡TB=TC，岩块BCΣMB=0，计算可得：

岩块ABΣMA=0，计算可得式（5）：

将式（3）、（4）代入式（5）可得到巷道内支护阻力的计算公式（6）：

2.2 支护方案

根据15113 运输顺槽顶板岩层特征，采用组合梁理论设计巷内锚杆、锚索支护参数，顶板锚杆长度为2.4 m，直径为22 mm，每排5 根锚杆，间距为0.95 m，排距为0.8 mm，锚杆直径22 mm；采用4840 mm 托梁配合冷拔丝网联合支护，顶板锚杆采用MSK2335（在上）和MSZ2360（在下）型树脂药卷各一支；顶板普通锚索索体采用直径为21.8 mm、长度6.0 m 预应力钢绞线，采用“三花”布置，每排两根锚索时距巷道中线950 mm 布置，锚索间距1900 mm，每排1 根时布置在巷道中线位置，排距为2.4 m；补强锚索索体采用直径21.8 mm、长度8.0 m 预应力钢绞线，距15113 工作面实体煤帮980 mm 布置，垂直顶板安装，排距800 mm；普通锚索、补强锚索均采用一支MSK2335 和两支MSZ-2360 树脂药卷锚固。帮补支护的设计参考现有实际经验，帮角部位采用直径22 mm、长度2.4 m 的全长自攻固螺纹钢锚杆，锚杆分别向上方、下方偏斜10°安装，中部两根锚杆采用直径22 mm、长度3.0 m 全长自攻固螺纹钢锚杆，帮锚杆间排距为0.8 m，两帮采用聚丙烯双抗网护帮。15113 回风顺槽支护详情如图3。

图3 15113 运输顺槽支护（mm）

3 切顶弱化孔参数研究

3.1 弱化切顶钻孔深度

预裂切顶需通过顶板爆破孔连线形成适当深度的切缝，使得工作面回采期间采空区顶板与沿空巷道顶板沿切缝处垮落。根据15113 运输顺槽地质条件，设计采用“密集弱化钻孔”来替代传统的预裂爆破切顶工艺，弱化孔的深度决定着顶板切落的高度，故超前工作面弱化孔深度的计算公式[4]：

式中：ΔH1为沿空巷道顶板下沉量，m；ΔH2为底板底鼓量，m；K为顶板岩层碎胀系数，1.3～1.5，根据科兴能源3#煤层上覆岩层岩性，碎胀系数K取1.4。工作面采高取最大值2.3 m 时，计算可得弱化孔深度应为5.75 m，结合地质柱状图，确定15113 运输顺槽超前弱化孔深度为6.0 m，布置间距为0.3 m，钻孔直径为42 mm。

3.2 弱化孔角度研究

为取得最佳的切顶效果，采用数值模拟对最佳的弱化孔角度进行研究，三维数值模型尺寸长、宽、高为30 m、40 m、20 m，模型四周及底面边界为位移约束条件。根据15113 运输顺槽的留巷特点，工作面一次开挖到位，巷道位于模型左侧，距模型左侧边界6.0 m，断面宽×高=4.4 m×2.6 m，模型如图4（a）。顶板弱化钻孔深度6.0 m，钻孔与顶板的夹角分别为70°、80°、90°，孔间距为0.3 m，巷道顶板和两帮采用前述的锚网索联合支护方式，分别监测不同切顶角度条件下沿空巷道顶板下沉量，得到图4（b）所示结果。

图 4 数值模型及模拟结果

可以看出，切顶角度为80°、70°时，沿空巷道顶板下沉一定阶段后，顶板下沉量不再增大，表明巷道顶板受到采空区冒落矸石的支撑作用形成稳定的结构。切顶钻孔为70°时，顶板最大下沉量为334 mm；切顶角度为80°时，顶板最大下沉量为151 mm；切顶角度为90°时，虽然沿空巷道顶板下沉量较小，但是持续增大，表明采空区矸石为有效支撑巷道顶板，未形成稳定结构，不利于沿空巷道围岩稳定。综上表明，15113 运输顺槽弱化孔的最佳角度为80°。

4 应用效果分析

15113 运输顺槽为首个采用“巷内基本支护+密集支柱+弱化孔+锚索补强支护”切顶留巷技术的巷道，工作面回采期间，超前工作面50 m 进行打孔弱化顶板，超前工作面100 m 进行补强锚索安装，工作面前方30 m 和后方100 m 范围内采用单体柱+π 型钢梁加固。现场应用期间15113 运输顺槽表面变形变化规律如图5，工作面前方巷道变形量很小，留巷期间，巷道表面变形呈现逐渐增大至稳定不变的趋势。滞后工作面80～90 m 时，巷道围岩趋于稳定，两个测点处顶底板最大移近量分别为285 mm、324 mm，顶底板移近量在合理可控范围内，留巷效果较好。

图5 15113 运输顺槽表面变形特征

5 结论

结合科兴能源15113 运输顺槽详细的条件，通过理论分析计算得到切顶留巷所需的巷内支护阻力为1519 kN/m，采用能够满足切顶强度要求的补强锚索配合单体柱+π 型钢梁补强支护，理论分析计算确定“弱化孔”深度为6.0 m，数值模拟研究确定最佳切顶角度为80°。

15113 运输顺槽留巷试验期间，两个测点处顶底板最大移近量分别为285 mm、324 mm，巷道围岩整体稳定性较好，弱化孔切顶卸压沿空留巷技术可以推广使用。