长平矿松软厚煤层工作面留巷围岩控制技术研究

程书畅

（晋能控股集团长平公司，山西 高平048400）

0 引 言

随着厚煤层综合机械化采煤工作面开采强度的增大，工作面采动影响下留巷的受压及变形十分显著[1-2]，因此减少留巷的变形，降低其巷修难度及成本是厚煤层工作面回采面临的主要困难之一。以往主要通过增大巷间保护煤柱的宽度，或者对留巷进行后期补强支护以减少留巷围岩变形，不仅浪费煤炭资源而且并未彻底解决留巷的大变形及复用巷修问题。

1 工程概况

长平煤矿主要回采3 号煤，平均厚度为5.75m，煤体普氏系数在0.3，正在回采的5302 工作面埋深平均550m，最大埋深可达720m。工作面采用四巷布置，应用重型放顶煤工艺，留巷与顺槽间煤柱宽度为50m。回采巷道均沿煤层顶板掘进，毛断面为5.8m×4.3m。

2 留巷变形特征及机理

2.1 变形特征

留巷受工作面采动影响，顶底板移近量平均在1.5m，最大可达2m；两帮收缩量在900m，最大可达1.3m。受工作面超前支撑压力影响，巷道围岩变形不大（一般在200～400mm），从滞后工作面开始，留巷变形显著提高。留巷围岩变形观测如图1 所示。

图1 留巷围岩变形观测

2.2 变形机理分析

1）首先长平矿3# 煤煤体松软，裂隙发育，导致其强度低，在采动应力作用下进一步破碎，在破碎煤体的剪涨作用下，围岩变形逐渐增大。

2）随着工作面的推进，采空区直接顶、老顶不断塌落，同时顶板破坏区继续向上覆岩层扩展，使得顶板破坏所产生的应力集中影响范围不断增大，通过煤柱传递至留巷[3-4]，导致留巷围岩两帮塑性区进一步扩大，导致原基础支护的锚杆进入到重新分布的塑性区内，使得原基础支护的大部分锚杆对巷帮的支护作用大幅下降或者失效。

3）在顶板压力的作用下，留巷两帮已破坏的煤体失去强度，压力继续向底板传递，导致无支护状态下的底板自由面成为释放压力的通道，留巷底鼓量增大。

3 留巷围岩控制技术

3.1 优化一次支护

为提高留巷围岩稳定，在原锚杆、锚索支护基础上，对顶板进行补强支护，形成每排4 根7.3m 的锚索；为强化留巷巷帮支护，阻止巷帮塑性区的扩展，对巷帮进行回采前的补强支护，形成每排3 根5.3m 锚索支护，如图2 所示。

图2 留巷支护参数

3.2 切顶卸压

根据悬臂梁力学模型，当在采空区侧进行切缝阻断悬臂梁的力学传递[5]，可降低采空区顶板塌落对煤柱的压应力，从而降低留巷围岩所受压力，进而降低留巷围岩巷帮、底板的变形。应用切顶卸压技术，在工作面顺槽煤柱侧进行切顶卸压，以减少回采工作面顶板垮落后对留巷围岩的压力传递。

1）切顶高度确定。根据长平煤矿巷道围岩地质力学测试，3 号煤层顶板以上0～7.7m 为中粒砂岩，强度平均值为85.10MPa，7.7～10.0m 为砂质泥岩，强度平均值为63.56MPa，结合顶板钻孔窥视结果分析以及综合柱状图，爆破处理的高度应良好波及到强度较高、完整性较好的细粒砂岩顶板，设计爆破垂高为25.6m。

2）爆破钻孔间距确定。利用3 号煤矿许用乳化炸药进行爆破时，取炸药密度ρ=1 120kg/m3，爆速D=3 600m/s，根据岩石性能参数，在被筒直径50mm，钻孔直径65mm 情况下，通过理论计算得到顶板砂岩中形成的粉碎圈半径为0.2m，裂隙圈半径为0.8m。并应用工程类比法，切顶卸压孔的间距步设计为2m，同时根据现场爆破效果，可将爆破间距调整为1.5m。

3）切顶参数确定。切顶爆破作业超前回采工作面60m 开始，以减少超前支护范围内顶板的扰动。钻孔深度确定为26m，爆破孔沿巷道轴向向采空区方向偏10°打设；为了避免“管道效应”（沟槽效应）产生炸药残爆，炸药被筒直径50mm、炮孔直径65mm 时不耦合系数1.30 最佳；炮孔单排布置，孔间距初步确定为2m；炮孔斜长26m，装药长度16m、封泥10m。爆破参数图如下图2 所示，备桶断面如下图3 所示。

图3 爆破参数图

图4 备桶断面图

4 留巷矿压观测

通过加强巷帮及顶板支护，在顺槽煤柱侧顶板进行切顶卸压，实测得到典型的留巷围岩变形观测数据，可知巷道两帮收缩量在420mm，底鼓量在800mm，与未采用留巷围岩控制技术前相比，巷帮收缩量减少了53%，底鼓量减少了33%，如图5 所示。

图5 巷围岩变形观测数据

5 结 语

本文针对长平矿松软厚煤层条件下，留巷围岩变形大、复用巷修工程量大的问题，通过分析留巷大变形特征及机理，给出了综合的留巷围岩控制技术，结果表明：

1）针对松软厚煤层留巷巷帮变形大，通过加强巷帮锚索支护强度，并补强顶板锚索支护强度，有效提高了留巷围岩的承载力，降低了巷帮围岩在采动应力作用下塑性区的扩展。

2）采用切顶卸压技术，将工作面顶板悬臂梁对煤柱形成的应力传递切断，降低留巷围岩的压力，有效降低了留巷围岩变形。

3）切顶卸压技术在松软厚煤层的应用，也为该条件下实现小煤柱或者无煤柱开采提供了技术及工程实验基础。