切顶卸压沿空留巷围岩控制技术及应用

何志龙

（永贵能源开发有限责任公司，贵州 贵阳 550000）

0 引 言

沿空留巷技术主要是工作面在推进过程中，利用巷旁充填等方法沿上区段采空区边缘维护保留原回采巷道，从而可以继续为下区段回采工作面服务。相对于传统留设区段煤柱开采方式而言，沿空留巷无煤柱开采技术具有节约资源、减少巷道掘进率、缓解采掘接替紧张、消除遗留煤柱造成的应力集中问题等优点。因此，沿空留巷技术在我国煤矿中的应用日益增加，也使得该技术愈加完善。目前应用较为广泛的沿空留巷技术主要有两种，一种是巷旁充填，另一种为切顶卸压。关于上述两种技术，许多学者开展了不少相关研究，朱珍等[1]基于切顶卸压沿空留巷无煤柱开采原理，研究了切顶卸压沿空留巷碎石巷帮形成机理与采空区矸石运动特征，并据此提出了相应的支护技术；张子非[2]、杨学春[3]对采煤工作面柔模混凝土沿空留巷支护及稳定性进行了研究；司晓鹏等[4]针对煤层厚、顶板硬的复杂条件，采用理论分析与现场试验等方法研究了定向爆破预裂和柔模混泥土技术在该条件下的运用。对于切顶卸压沿空留巷关键参数（切顶高度、角度与预裂爆破钻孔间距） 与沿空留巷巷旁支护系统也有学者进行研究[5-6]。

尽管沿空留巷无煤柱开采技术在研究者们努力下日益完善，但我国煤矿地质情况复杂，特别是在西南地区，应根据实际地质情况开展相应的沿空留巷围岩控制技术。因此，本文在前人研究的基础上，以贵州新田煤矿1902 工作面为工程背景，运用理论分析与现场实测等方法对该条件下的沿空留巷围岩控制技术进行研究，研究成果可为该工作面安全高效开采提供指导与类似矿井提供一定借鉴意义。

1 1902 工作面概况

新田煤矿主采煤层为4 号煤和9 号煤，4 号煤平均厚度2.79 m，9 号煤平均厚度3.5 m。1902 综采工作面为新田煤矿一采区9 号煤层第二个工作面，倾向长壁式布置，其顶底板岩性情况见表1。

表1 1902 工作面顶底板岩性Table 1 Roof and floor lithology of No.1902 Face

1902 工作面运输巷设计长度为606 m，断面为矩形断面，巷道设计净宽度为5.5 m，设计净高度为3.5 m，断面积为18.15 m2。巷道原支护方式中，顶板采用“高强锚杆+钢筋网+W 钢带+锚索”联合支护，锚杆间排距为800 mm×800 mm。锚索规格为φ21.8 mm×8 200 mm，锚索施工间排距为1 600 mm×1 600 mm。巷帮采用“高强锚杆（或全螺纹锚杆） + 钢筋网”，间排距为800 mm×800 mm，呈矩形布置。具体如图1 所示。

根据现场实际情况，对1902 运输巷需进行超前预裂爆破切顶及巷道围岩控制技术。其中巷道围岩采取分段控制，对比研究了同巷道支护方案的现场效果。

2 超前预裂爆破切顶

2.1 爆破孔设计

（1） 爆破孔位置。在1902 运输巷（切眼至停采线范围内） 顶板回采侧布置一列爆破孔，孔口位置距中线2.55 m（距回采侧帮部200 mm）。

（2） 爆破孔参数。孔径48 mm，孔深16 m 与2.5 m 交叉相结合，孔口间距250 mm，允许偏差±100 mm，爆破孔与巷道中线垂直，向回采侧偏15°。（228～570 m 后改孔间距300 mm，孔深11 m 为向回采侧偏8°）。

（3） 钻孔机具。CMM2-8 煤矿用液压锚杆钻车（DCA-45 自动成巷超前切缝钻机）。

（4） 爆破孔爆破距离超前工作面煤墙不小于50 m。

2.2 爆破施工

（1） 装药方式。使用聚能管辅助进行装药，聚能管管壁聚能孔方向与巷道中线方向平行。

（2） 施工工艺。顶板钻孔施工—检查孔口附近瓦斯—炸药、雷管、水炮泥装入聚能管中（雷管串联） —聚能管送入炮孔—炮泥封孔—相邻炮孔连线—母线连接—检查孔口附近瓦斯—撤人—警戒—起爆—检查爆破地点附近瓦斯—清理现场—进入下一循环。

（3） 每循环爆破眼数不大于20 个。228～570 m 后改为每循环爆破眼数不大于10 个。1902 运输巷切顶眼爆破装药布置如图2 所示。

3 巷道支护设计

3.1 顶板锚索补强支护

留巷补强支护紧跟顶板预裂切缝，在预裂爆破后施工顶帮补强锚索，提升顶板的整体强度和稳定性，减少顶板下沉。

（1） 架U 型钢棚段（0～228 m） 钢梁锚索补强支护。

①在工作面超前段顶板平行巷道中线方向补打2 排29U 钢梁锚索补强支护，目的是切顶锁口和固绳上网、卡挡矸柱，29U 钢梁长度2 700 mm，距回采帮500 mm，钢梁锚索间距500 mm，锚索长度10 300 mm，锚索间距1 200 mm，梁搭接150 mm；②留巷超前段，巷道顶板迈步施工2 排锚索梁补强支护，槽钢长度2 000 mm，间排距1 600 mm×1 600 mm，锚索长度8 200 mm。具体如图3 所示。

图3 1902 运输巷钢梁锚索补强支护断面（0～228 m）Fig.3 Steel beam anchor cable reinforcement support section of No.1902 transportation roadway(0～228 m)

（2） 浇筑柔膜袋段（228～570 m） 钢梁锚索补强支护。

顶板补强支护：在工作面超前段顶板平行巷道中线方向补打1 排29U 钢梁锚索补强支护，目的是切顶锁口和固绳上网，29U 钢梁长度2 700 mm，距回采帮500 mm，锚索长度10 300 mm，锚索间距1 200 mm，梁搭接150 mm，如图4 所示。

图4 1902 运输巷钢梁锚索补强支护断面（228～570 m）Fig.4 Steel beam anchor cable reinforcement support section of No.1902 transportation roadway(228～570 m)

钢梁锚索补强支护施工超前转载机头不低于30 m。

3.2 巷旁支护体

巷旁支护体应具有早期强度高、增阻速度快的力学特性，紧随工作面构筑，及时支护直接顶，控制巷道围岩变形。巷道围岩运动稳定后，巷旁支护体具有的支护阻力为后期支护阻力，其大小应能够维持巷道上方已切断岩层的平衡，同时将巷道顶板下沉量控制在设计范围内。

3.2.1 架U 型钢棚段（0～228 m） 巷旁支护

U 型钢棚支护紧贴支架后方施工，滞后支架不超过0.5 m，防止采空区矸石窜入巷道。

（1） 1902 工作面第1～5 号液压支架上方挂双层菱形铁丝网，要求菱形网顶部向巷道内外露1 200 mm 与巷道内原顶板支护网片相连，搭接长度不低于200 mm。架前相邻网片搭接长度不小于200 mm，并用14 号双股铁丝将两层网搭接处连接在一起，间距不超过200 mm。

（2） ①垂直巷道中线方向，在1～5 号液压支架架前每隔600 mm 上1 根钢丝绳，钢丝绳用14号铁丝固定在菱形网上，另一端固定在巷道顶板施工的29U 钢梁上（钢梁提前打孔）；②平行巷道中线方向，在工作面1～5 号支架铺设11 道钢丝绳，第一排距回采侧煤墙300 mm，1～3 号支架钢丝绳间距500 mm，4～5 号支架钢丝绳间距1 000 mm，钢丝绳十字交叉处用绳卡进行固定。续接钢丝绳时，钢丝绳搭接长度不得小于500 mm，使用不少于2 个绳卡进行固定。

（3） 挡矸柱（36U 钢腿） 顶部与29U 钢梁（距回采帮1 000 m） 搭接，底部贴回采帮埋入底板200 mm，在挡矸柱（36U 钢腿） 里侧铺设双层土木格栅+风筒布或阻燃布+菱形铁丝网，顶部向巷道内外露300 mm 与巷道内原顶板支护网片相连，底部接底，漏出不少于300 mm。使用14 号铁丝将双层土木格栅、风筒布、菱形铁丝网固定在挡矸柱上，绑扎点间距不大于500 mm，36U 钢腿柱间距为800 mm（29U 钢腿柱间距为600 mm)，要求挡矸柱（36U 钢腿） 上方必须压住风筒布和土木格栅。

（4） 在挡矸柱卡缆连接部位分别增加一组连接板，将相邻的U 型钢连接起来，使挡矸柱形成一个整体。

图5 1902 运输巷挡矸防护断面图（0 ～228 m）Fig.5 Gangue protection section of No.1902 transportation roadway(0～228 m)

3.2.2 筑柔模袋巷旁支护（228～570 m）

（1） 1 号架前移后，离柔模混泥土柱不足2.4 m 时，及时在隔离墙位置施工2～3 根木点柱支撑顶板，木点柱间距800 mm（视现场情况而定，当顶板压力大时可选择用3.5 m 单体柱支护）。

（2） 1 号架离柔模袋位置长度超过2.4 m 时，必须及时施工柔模混凝土柱。柔模混凝土袋子采用对拉锚杆+ 钢筋网进行加固，对拉锚杆规格为φ20 mm×1 400 mm，间排距为600 mm×600 mm，钢筋网规格为1 000 mm×2 000 mm，搭接宽度100 mm，绑扎间距200 mm（对角绑扎）。充填前进行对拉锚杆+钢筋网安装，同时对应挡矸木点柱平行距离1 200 mm 处打设一排3.5 m 单体柱对柔模袋进行形态控制。柔模袋采用带压充填，充填后压力不小2 MPa。

（3） 巷内柔模混凝土袋充填，充填宽度1.2 m，充填高度3.5 m，长度为2.4 m，充填后柔模混泥土柱形成一道充填柱墙。

（4） 柔模袋及对拉锚杆安装完成后，启动远距离输送泵注入混凝土。前一个柔模混凝土柱填充完成，紧接着支筑下一个柔模袋，如此循环。

（5） 每隔20 m 在2 个柔模袋之前留够瓦斯抽放管预埋空隙，瓦斯抽采孔留设的方法是在2 个柔模混凝土柱间上方预埋直径200 mm 瓦斯抽放筛孔管，预埋长度500 mm，筛孔管外露墙体550 mm，抽放筛孔管间距为20 m。并用封堵材料（水泥等）封堵严实，防止瓦斯泄露。

（6） 柔模混泥土墙体基脚必须挖到实底，墙体要平直接顶。

图6 1902 运输巷挡矸防护断面图（228～570 m）Fig.6 Gangue protection section of No.1902 transportation roadway(228～570m)

4 现场监测

采用十字布点法对巷道表面位移进行观测，可得不同支护方式下巷道围岩变形情况。通过观测可得1902 沿空留巷顶板、两帮数据，见表2。

表2 1902 沿空留巷不同巷旁支护顶板、两帮变形统计Table 2 Deformation statistics of different roadside support roof and two sides in No.1902 gob-side entry retaining

由表2 可知，沿空留巷30～228 m 架U 型钢棚段巷道高度平均降低1.38 m，巷道宽度平均收敛2.17 m；沿空留巷228～570 m 浇筑混凝土柔膜袋段巷道高度平均降低0.64 m，巷道宽度平均收敛0.80 m。

由此可知，混凝土柔膜袋段顶底板移近量和两帮移近最小，分别比架U 型钢棚段顶底板移近量减小了0.74 m 和1.37 m。混凝土柔膜袋支护效果优于架U 型钢棚巷旁支护方案。柔膜袋墙留巷方式对顶板的支撑力大且使顶板受力均匀，支护效果较好。

5 结 语

针对新田煤矿1902 沿空留巷实际地质情况，提出了超前预裂爆破切顶+顶板锚索补强围岩控制技术，并分段应用了不同巷旁支护方案。现场应用表明，浇筑混凝土柔膜袋段巷道高度平均降低0.64 m，巷道宽度平均收敛0.80 m，相对于架U 型钢棚巷旁支护方案分别减小0.74 m 和1.37 m，混凝土柔膜袋支护效果优于架U 型钢棚巷旁支护方案。