塔山矿8305工作面无煤柱开采留巷支护设计

王御军，张学锋，卢 硕，杨敬轩

(1.晋能控股煤业集团 同煤大唐塔山煤矿有限公司， 山西 大同 037003；2.中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州 221116)

为提高煤炭资源回收率，缓解煤矿采掘接替紧张局面，工作面无煤柱开采沿空留巷技术近年来得到了大力推广[1-3]，尤其针对中厚煤层开采，该技术条件极为适用，取得了较好的经济社会效益[4-5]. 采用的定向爆破切顶技术保障了留巷采空区侧顶板的垮断与充填，及时发挥了对巷道覆岩的主动支撑作用，减小了顶板侧向悬长的附加影响，为沿空巷道的安全支护创造了卸压条件[6-8]. 以晋能控股煤业集团塔山煤矿8305工作面5305巷的留设支护为背景，在切顶留巷覆岩结构分析基础上，确定最危险情况下的巷道覆岩控制区范围，给出合理的沿空巷道支护方案，提出可行的巷旁挡矸与密实封堵技术，保障沿空巷道的安全留设。

1 工程概况

塔山矿2#煤层8305工作面位于三盘区东翼东北部。东北邻近盘区边界，东南邻近8306工作面，西南以三盘区大巷为界，西北至二盘区与四盘区共同盘区边界。盖山厚度在462～518 m，平均490 m. 煤层平均厚度3.3 m，平均倾角2°，结构简单，可采走向长度1 350 m，工作面倾向长度300 m. 煤层顶底板以砂质岩性赋存为主，岩性坚硬，结构相对完整。工作面顶底板柱状图见图1.

工作面覆岩以砂质岩性赋存为主，岩层赋存相对完整，岩性较硬。采取爆破切顶工艺，利用炸药的高爆能配合聚能管的聚能定向作用，实施坚硬顶板的超前爆破预裂，为无煤柱高效开采提供技术支持。切顶为煤层上覆细砂岩及粗砂岩，切顶高度11 m.

2 切顶巷道覆岩结构及支护区确定

2.1 切顶巷道覆岩结构

为降低临近采空区坚硬顶板悬长对沿空留设巷道围岩产生较大附加作用力，采取深孔定向爆破切顶方法，减小巷道覆岩采空侧悬长，提高采空区空间充填度，及时发挥采空区冒落矸石支撑能力。沿空留设巷道顶板爆破切顶后的覆岩结构见图2.

图2 爆破切顶后的巷道覆岩结构图

沿空留设巷道临近的采空区垮落带高度范围内顶板断裂冒落填充采空区空间；垮落带高度之上岩层活动空间受限，断裂顶板块体间相互咬合(如图2中的A-B-C块体)，形成砌体梁结构，具有较高的承载性能。

2.2 巷道覆岩支护区确定

巷道顶板断裂块体间相互咬合，形成承载主体结构。砌体梁结构下位岩层重量分别由工作面实体煤、巷道支护体以及临近的采空区冒落矸石墙体支撑。其中，工作面实体煤及采空区矸石墙体为主要承载结构，巷道支护体是人工安全活动区的小支护结构。出于安全设计理念，考虑巷道顶板完全失稳条件下(顶板沿实体煤帮断裂)的覆岩重量(图3)，据此确定最危险情况下的巷道覆岩控制区高度H为：H=M/(k-1)=3.3/0.3=11 m. 其中，M为煤层开采厚度，k为采空区矸石碎胀系数，取1.3.

图3 巷道顶板支护区图

3 切顶巷道覆岩支护设计

3.1 巷道顶板支护设计

1) 单体支护设计。

根据塔山矿8305工作面5305沿空留设巷道控顶高度为11 m，巷道宽度4.8 m，覆岩平均容重26 kN/m3. 考虑最不安全情况下(覆岩活动影响期间)的巷道安全支护，计算10 m长巷道覆岩控制区所需安全支撑力约13 730 kN. 采用DW40-250/110X型柱塞悬浮式外注单体液压支柱进行支护，单根支柱额定支撑力为250 kN，所需单体柱总数为55根，据此确定的单体支柱排距为1.0 m，采用“五梁五柱”支护方式，根据巷道宽度，确定单体柱间距为0.88 m，配合使用0.8 m长的π型顶梁，顶梁摆放方向垂直巷道轴向，见图4.

图4 沿空留巷单体支护形式及效果图

2) 锚杆(索)支护设计。

8305工作面采取深孔爆破切顶技术实现了无煤柱留巷开采。5305巷道深孔爆破切顶作业过程中，为保持巷道顶板的稳定，采取的补强支护措施为“锚索+W型钢带、锚索+钢托板”支护方式，见图5. 锚索d17.8 mm、L5 300 mm，间排距3 000 mm×1 600 mm. 左旋无纵筋螺纹钢锚杆d22 mm、L2 500 mm，间排距1 000 mm×1 000 mm. W钢带排距1 000 mm，高强度拱形托板150 mm×150 mm×10 mm. 第一排补强锚索距进向左帮650 mm，d21.8 mm、L7 000 mm，间排距1 500 mm，配合300 mm×300 mm×16 mm钢托板、W型钢带3 300 mm×250 mm，相邻钢带两眼相互叠加不留缝隙搭接。第二排补强锚索距进向左帮1 500 mm，d21.8 mm、L7 000 mm，间排距3 000 mm，配合300 mm×300 mm×16 mm钢托板。

图5 切顶留巷过程中的补强支护图

需要指出的是，锚索补强支护将巷道直接顶岩层直接悬吊于覆岩完整的中粒砂岩层中保证巷道顶板表面的稳定。采取锚索、锚杆组合支护方式充分保证巷道低位岩层的组合受力及结构整体性。

3.2 巷道挡矸支护设计

采空区冒落矸石自然堆积具有膨胀特性，受上覆岩层重量影响，采空区堆积矸石压缩过程中同步产生横向位移，导致沿空留巷的鼓帮现象。为减小留巷墙体的横向变形，需采取特定的挡矸支护技术。同时，考虑冒落矸石的不规则排列及渗流特点，亦需采取对应的防风堵漏措施。基于此，提出采用“U型钢+金属网+风筒布”的挡矸支护及密实封堵技术，见图6.

图6 留巷墙体挡矸支护及密实效果图

5305挡矸支护采用U29钢支架配合使用8#菱形金属网沿切缝线支设，U29钢支架顶部d30 mm圆钢穿入顶板施工爆破孔内，底部开槽深度0.3 m，底座置于槽内，间距为0.5 m. 具体操作步骤为：

1) 工作面端头支架向前拉移，在液压支架切顶线前，沿巷道切缝线支设挡矸U29钢支架，支设完毕后回撤成巷稳定区0.8 m范围内的煤柱侧四排单体液压支柱，转运至5305巷超前支护区前端备用。

2) 待端头液压支架切顶线距最近已安装挡矸网0.3 m时，采煤机停机闭锁，沿顶板从上向下补充8#菱形金属网，及时用14#铅丝将菱形金属网上端与原巷道金属网捆扎牢固，金属网边搭接宽度为0.1～0.2 m，下端金属网垂至巷道底部。安装金属网时，必须与切顶线后方的金属网对齐，并利用14#铅丝将菱形金属网与U29钢支架捆绑牢固，自上而下均匀捆绑5道。金属网安装完成后及时沿切缝线支设U29钢支架，保证新支设的U29钢支架与原安装的U29钢支架成一条直线。

3) 挡矸支护完成后，采煤机开机正常割煤，当刮板运输机继续向前推移2个循环距离1.6 m后，端头支架切顶线距已安装挡矸网为0.3 m时，采煤机停机闭锁，依照上述步骤支设挡矸支护，挡矸支护步骤依此循环。

4) 金属网配合U29钢挡矸支护过程中，沿空留巷采空区侧使用风筒布配合金属网构筑人工封堵，减少采空区漏风，降低采空区遗煤与氧气接触面积。风筒布在金属网外侧并滞后支架10～20 m，利于架后采空区瓦斯及时随风流排出。

4 结 论

1) 根据工作面煤岩赋存特征，分析了爆破切顶后的巷道覆岩结构，确定了最危险情况下的巷道覆岩控制区为4.8 m×11.0 m.

2) 给出了沿空巷道的“五梁五柱”支护方式，间排距为0.88 m×1.00 m；补强支护为“锚索+W型钢带、锚索+钢托板”结构。

3) 提出并实施了“U型钢+金属网+风筒布”的挡矸支护及密实封堵技术，保障了沿空巷道的安全留设。