大倾角沿空留巷顶板控制技术研究与应用

文/宁太勇

随着科技的进步，沿空留巷已成为煤矿缓解采掘接替及提高回采率的重要技术手段。沿空留巷的重点是如何控制基本顶的回转和下沉变形，因此沿空留巷顶板支护形式是留巷成功的关键因素。河南能源集团永煤公司新桥煤矿21101工作面回采期间采用切顶卸压沿空留巷技术，依据工作面地质资料、巷道围岩结构及特点，探索出了一套适合沿空留巷的巷道支护技术，成功解决了大倾角沿空留巷支护技术难题，有效控制了留巷在不同时期的变形。

一、巷道基本情况

二2煤层是新桥矿主采煤层，21101工作面下顺槽设计长度为970m，巷高3.2m，掘进期间整体呈“上山”趋势，平均坡度10°，局部达14°。煤层层位稳定，结构简单，煤层平均厚度为3.73m，最厚处为4.3m，最薄处为1.92m，煤层倾角9°～24°。煤层直接顶为中砂岩，厚度为9.5m；老顶为细砂岩，厚度为22.2m；老顶之上为粉砂岩，厚度为7.9m；直接底为粉砂岩，厚度为4.85m；老底为细砂岩，厚度为7.7m。

二、巷道原支护方式

21101下顺槽顶板采用“锚网带+锚索”进行支护，锚杆为φ22mm×2200mm的高强锚杆，锚杆间排距为800mm×800mm，带为M5型钢带。顶板施工三排锚索（梁）进行顶板加固，其中沿巷道中心线施工一排锚索梁，采用12#和16#槽钢加工，接替连锁布置，锚索梁长1.8m，一梁两索，锚索规格为φ21.6mm×10000mm，间距为1600mm。向左、右各偏1200mm施工2排槽钢梁，每架槽钢梁配合两根φ21.6mm×7500mm锚索施工，槽钢梁长度1.8m，采用16#槽钢加工，间距为1600mm。两帮采用锚网带支护，锚杆为φ22mm×2200mm的高强锚杆，间排距为800mm×800mm，带为M5钢带。

三、沿空留巷支护技术设计方案

采用以“切顶卸压+锚索（梁）支护”为主体的设计方案，利用恒阻大变形锚索补强加固顶板，控制顶板下沉，使沿空留巷围岩能够最大限度地发挥自身承载作用，降低支护体承受的载荷，保证沿空留巷围岩的稳定性。

1.预裂切缝孔深的确定

预裂切缝深度（H缝）计算公式如下：

式中，H煤—采高，m；

ΔH1—顶板下沉量，m；

ΔH2—底鼓量，m；

K—碎胀系数。

工作面直接顶为中粒砂岩、粗粒砂岩，本面K取1.5，不考虑顶板下沉、底鼓量，仅考虑采高的影响。

按下顺槽平均煤厚3.73m计算，H缝=7.46m；

按下顺槽最大煤厚4.3m计算，H缝=8.6m；

根据地质条件，预裂切缝钻孔设计深度为9m。

2.预裂切缝孔及聚能管参数

切缝孔采用液压锚杆钻车施工，切缝孔靠近巷道回采侧巷帮位置，距巷道回采侧煤壁200mm，施工一排，孔间距为0.6m，孔深为9m，孔径为48mm，切缝孔施工角度分别按照与铅垂线夹角15°与30°交替施工。

切顶采用双向聚能爆破预裂技术，使用双向聚能管，聚能管外径为42mm，内径为36.5mm，管长为1500mm。聚能爆破采用煤矿三级水胶炸药，炸药φ35mm，长度为400mm，每个孔放置4个聚能管。聚能爆破采用正向爆破，每次聚能爆破切缝孔的个数最多为8个。

3.加固锚索（梁）支护方案

为保证切顶过程和周期来压期间巷道的稳定性，在进行预裂切顶前采用锚索（梁）加固巷道顶板，回采侧锚索（梁）及点锚索安装恒阻。锚索直径为21.6mm，长度为10300mm，预紧力为40MPa。恒阻器长为500mm，外径为73mm，最大允许变形量为350mm，恒阻值为（330±20）kN，预紧力为280kN。托盘规格为150mm×150mm。

沿巷道中心线向回采侧偏1900 mm（即距回采侧帮部600mm）布置一排连体锚索（梁），锚索间距为800mm，且每根锚索下增加一块200mm×200mm的铁托盘；沿巷道中线向回采侧偏1400mm（即距离回采侧帮部1100m）布置1排点锚索，点锚索配规格为200mm×200mm锚索托盘。

四、巷道临时支护方案

21101工作面回采过程中，不同的回采位置，巷道围岩受力情况不同。工作面前方20m，巷道受到超前压力的影响，应力集中需加强支护；工作面支架向后0～120m，顶板垮落，且从顶板垮落到顶板稳定需要较长的时间，此段区域不仅需要加强顶板支护，还需进行挡矸支护；工作面支架120m之后，顶板基本趋于稳定，巷道来压较小，不再需要进行加强支护，只需进行挡矸支护即可。

因此，将21101下顺槽工作面回采位置附近划分为三个区域：超前支护区（工作面前方20m），超后临时支护区（架后0～120m）和成巷稳定区（架后120m之后），根据相应的区域需要采取不同的支护措施。

1.超前支护区（工作面前方20m）

21101下顺槽超前支护区采取主动支护，在原巷道支护的基础上，顶板施工两排锚索（梁），即沿巷道中心线向回采侧偏1600mm布置两排连体锚索（梁），锚索排距1600 mm，且每根锚索下增加一块规格为200mm×200mm的铁托盘。

2.超后临时支护区（架后0～120m）

由于此段巷道位于工作面超后影响区，受动压影响明显，巷道顶板压力较大。为防止周期来压时顶板垮落岩石冲入巷道和留巷初期顶板的下沉，在工作面后方120m范围内采用“单体支柱+超后液压支架”进行支护。巷道断面共设计三排单体支柱和一排超后液压支架，第1排单体支柱靠近巷道回采侧距巷道中心线2100mm；第2排单体支柱靠近巷道回采侧距巷道中心线1500mm；第3排单体支柱靠近巷道实体侧距巷道中心线2000mm。单体支柱初撑力不小于7MPa，排距为600mm，间排距偏差不超过100mm，超后液压支架靠巷道上帮，支架中心距巷道中心线300mm，偏差100mm。每2台支架底座之间的距离不大于200mm，支架初撑力不小于20MPa。

工作面拉最后一架前，在其大立柱附近位置开展铺设钢丝绳、挡矸网及36U钢棚腿的架设工作。采用36U型钢棚腿、φ21.5钢丝绳及挡矸网进行挡矸支护，36U型钢棚腿间距为600mm，与单体支柱间隔布置。36U型钢棚腿由2节搭接组成，搭接长度为500mm，采用卡缆进行搭接，卡缆间距为200mm，使用2块连接板连接棚腿，卡缆螺栓预紧力为350N·m，连接板螺栓预紧力为200N·m。36U型钢上棚腿上部与切缝孔连线对齐，与顶板严密结实，36U型钢下棚腿下部插入巷道底板实底上。挡矸网采用1根φ21.5mm钢丝绳（间距600mm）、1层平焊铁丝网和1层大眼网铺设而成，平焊铁丝网及大眼网与顶板网相连，将平焊铁丝网及大眼网铺设至巷道底板，并采用φ22 mm×1500mm锚杆将φ21.5mm钢丝绳、平焊铁丝网和大眼网固定在底板上。

3.成巷稳定区（架后120m之后）

成巷稳定区巷道受采动影响小，该区域已趋于基本稳定状态，顶板下沉量及单体支柱的压力变化很小，可去掉临时支护的单体支柱，只保留36U型钢和挡矸网挡矸。

五、矿压观测

在21101下顺槽留空巷每50m设置1组巷道表面位移观测点，观测点距离工作面50m以内，每天观测1次；大于50m时，每周观测2次；2个月后每周观测1次。通过分析巷道表面位移曲线图可知，留巷期间，两帮移近量最大为180mm，其中留空帮移近量为136mm，实体帮移近量为180mm，顶板移近量为308mm，底板移近量为385mm，巷道支护强度有效控制了巷道围岩变形。虽然巷道有一定的变形，但留巷总体效果较好，下个工作面投入使用前，只需对留巷重新进行简单的拉底返修，即可投入使用。

六、结论

采用以“切顶卸压+锚索（梁）支护”为主的支护方案，利用恒阻大变形锚索补强加固顶板，控制顶板下沉，减缓两帮压力，使沿空留巷围岩能最大限度地发挥自身承载作用，降低支护体承受的载荷，确保了沿空留巷的整体稳定性。探索出了一套在沿空留巷超前支护区、超后临时支护区、成巷稳定区的巷道支护技术，强化了初期支护强度，加大了初期支护投入，成功解决了沿空留巷支护技术难题。