浅埋中厚煤层坚硬顶板沿空留巷切顶及支护技术研究

王冠虎

（山西汾西矿业集团鑫顺煤业，山西 晋中 032600）

1 工程概况

山煤国际鑫顺煤业4101 综采工作面盖山厚度90～120 m，工作面位置位于4102 胶带顺槽以东，轨道下山以北，开采的4#煤厚度1.2～1.8 m，平均1.53 m。4101 工作面走向长535 m，倾斜长150 m，工作面煤层为一单斜构造，地质构造较简单。4101 综采工作面推广使用“沿空留巷”技术，4101 胶带顺槽按照“沿空留巷”设计布置。如图1。

图1 工作面采掘工程平面图

2 沿空留巷巷旁充填支护设计

4101 胶带顺槽采用锚网梁+锚索联合支护方式，巷道净宽5.5 m、净高1.7 m，设计沿空留巷宽度4.0 m。4101 工作面胶带顺槽沿空留巷采用高水材料净浆充填，水灰比1.5:1。根据4101 工作面胶带顺槽顶板岩层情况和以往的工程实践[1]，初步设计确定巷旁支护体宽度为1.5 m，4101 工作面平均每天回采6 m，每天充填两个充填体，每个充填体尺寸为：3 m×1.5 m×1.7 m（长×宽×高），一个充填体需要高水材料4.5 t。充填体结构示意图如图2（a）。采用对拉锚杆进行充填体的加固，对拉锚杆采用Ф20 mm 的螺纹钢材料制作，间排距为600 mm×800 mm，采用Ф14 圆钢焊制的钢筋梯子梁，钢筋网要求使用Ф6.5 mm 的钢筋加工。对拉锚杆、钢筋梯子梁加工尺寸如图2（b）。

图2 巷旁充填体加固工艺示意图（mm）

4101 综采工作面机头支架拉架后，待充填区域顶板需要进行临时支护。如果顶板较完整、稳定，可在排头架前铺网，架后单体临时支护，其中铺网范围为胶带顺槽边缘向采空区5 m 范围，排头架后单体液压支柱间排距800 mm×1000 mm，每排4 根。如果拉架后顶板较破碎，需在架前顺槽边缘向采空区5 m 范围内铺网，并在拉架前紧跟支架补打锚杆进行及时支护，顶板锚杆Ф20 mm、长1600 mm，间排距800 mm×900 mm，单体液压支柱间排距800 mm×1000 mm，每排4 根。

3 切顶卸压关键参数的确定

为减小充填体上部顶板压力，改善沿空巷道应力状态，在4101 工作面回采前，在胶带顺槽靠煤壁侧预先施工钻孔并进行聚能爆破预裂顶板，工作面回采后顶板将在预裂位置断裂，使得充填体及巷道处于应力较小的环境中。影响预裂效果的主要参数为装药量、钻孔深度、倾角、封孔长度、间距等，参照相似地质条件下相应研究成果[2-3]，设计采用Ф35 mm、长度200 mm 的乳化炸药，采用毫秒延期雷管进行引爆。根据工作面顶板岩层岩性及厚度，确定切顶的目标层位为细砂岩直接顶和基本顶，两组岩层的平均厚度为10.73 m。为保障切落顶板的顺利垮落，设计炮孔打设角度为仰角70°，由此确定钻孔深度为11.5 m，炮孔直径38 mm。根据一般情况考虑，封孔长度应为钻孔总长度的0.25～0.3，初步设计封孔长度为4.0 m，装药长度为7.5 m，采用连续装药方式，正向装药结构，每个钻孔需要17卷乳化炸药。结合炮孔参数选择与其匹配的D 型聚能管，管径28 mm，单节长度1.5 m。

爆破钻孔的布置间距对于切顶卸压效果非常关键[4]。为确定最为合理的爆破钻孔布置间距，设计在4101 胶带顺槽进行爆破试验，设计钻孔布置间距为500 mm、600 mm、700 mm，每个方案需施工9 个钻孔，其中5 个爆破孔，1#、3#、5#、7#、9#钻孔。试验钻孔布置方案如图3。

图3 爆破钻孔试验方案示意图

爆破试验实施地点为4101 胶带顺槽距离开切眼40 m 处，方案的执行顺序为炮孔间距L=700 mm、L=600 mm、L=500 mm，每个方案中的5 个钻孔同时一次性起爆，通过钻孔窥视的方法观测围岩内裂隙发育情况。爆破孔及空孔裂隙发育情况如图4。

图4 窥视结果中所示长度为窥视图像距孔口距离。分析可知，炮孔间距为700 mm 时，在孔深7.51 m 处出现两条对称的纵向裂隙，其余深度爆破孔及导向孔岩壁完整性较好，裂隙基本不发育，爆破效果不是很理想；炮孔间距为600 mm、500 mm时，爆破孔及导向孔全孔深范围内出现较多的纵向裂隙，裂隙基本均沿钻孔横向布置方向且基本呈对称分布，除裂隙发育的部分外，岩体完整性较好。总体而言，定向聚能爆破效果良好，可在钻孔间形成连续的裂隙弱面，说明爆破孔布置间距为500 mm、600 mm 条件下爆破效果较理想。考虑施工进度及经济效益，确定最佳炮孔间距为600 mm。爆破孔布置详见图5。

图5 4101 胶带顺槽切顶钻孔布置示意图（m）

4 应用效果

4101 胶带顺槽采用上述支护及切顶措施留巷期间，间隔50 m 设置矿压监测站，以距开切眼200 m 处测点为例，收集整理此处测点数据，得到围岩变形情况如图6。分析可知，超前回采工作面0～30 m 期间，巷道表面开始出现轻微的变形，围岩整体稳定；滞后工作面0～110 m 期间，顶底板变形量快速增大，而两帮的变形一直持续至滞后回采工作面200 m，在此期间采空区顶板剧烈运动，导致巷道内矿压显现明显；滞后工作面110～250 m 期间，顶底板变形量基本保持稳定，顶板下沉量稳定在460 mm，底板底鼓量稳定在50 mm；滞后工作面200～250 m 期间，两帮变形量基本保持稳定，实体煤帮及墙体侧内移量均保持在60 mm 以下。总体而言，巷道表面变形量属正常，沿空留巷围岩整体收敛变形保持在较低水平，达到较好的留巷支护效果。

图6 留巷期间围岩变形曲线

5 结语

以鑫顺煤业4101 工作面开采为工程背景，对4101 胶带顺槽巷旁充填关键参数进行设计，确定充填体尺寸长、宽、高为3.0 m、1.5 m、1.7 m，高水材料水灰比1.5。借助理论分析计算、工程经验确定爆破预裂切顶卸压钻孔深度、封孔深度、装药量等主要参数，设计现场试验并通过钻孔窥视分析爆破效果，最终确定炮孔最佳间距为600 mm。矿压监测表明，留巷期间顶底板移近量保持在600 mm以下，两帮移近量保持在120 mm 以下，巷道表面围岩变形属于正常矿压显现，留巷效果较理想，所设计巷旁支护及切顶方案合理有效。