古城煤矿N1303 工作面切顶卸压沿空留巷技术应用

范宁潇

（山西潞安矿业（集团）有限责任公司古城煤矿，山西 长治 046000）

1 工程概况

古城煤矿N1303 工作面开采3#煤层，均厚6.24 m，煤层内含有一层0.2 m 泥岩夹矸。煤层直接顶和基本顶分别为砂质泥岩和中粒砂岩，直接顶岩层均厚为4.03 m，基本顶岩层均厚为5.86 m，基本顶岩层致密坚硬。布置3 条回采巷道，巷道均沿煤层底板掘进。N1303 工作面回风顺槽为沿空留巷巷道，巷道掘进断面为矩形，净宽×净高=5200 mm×3600 mm，掘进期间支护采用锚网索支护，具体支护参数如图1。基于顶板岩层为坚硬顶板，为保障巷道围岩稳定，留巷前采用切顶卸压技术。

图1 N1303 回风顺槽支护断面图（mm）

2 超前切顶卸压技术

针对坚硬顶板沿空留巷作业，若不采取有效的措施，留巷期间会存在采空区侧顶板大面积悬顶，采动影响下大面积悬顶的顶板岩层会不断回转下沉，围岩在顶板力的作用下会不断变形，围岩稳定性较差[1-3]。根据N1303 回风顺槽的赋存特征，确定巷道采用切顶卸压技术对坚硬顶板进行预处理。

（1）根据工作面顶板岩性特征，综合炸药性能参数等因素，确定在N1303 回风顺槽走向肩角布一排平行孔，炮孔各项参数如下：

① 炮孔直径及倾角：爆破钻孔直径为50 mm，倾角为与顶板75°，偏向采空区一侧。

② 炮孔长度计算：为使综放工作面顶板垮落矸石充满采空区，切顶高度Mz可根据公式（1）计算：

式中：Mz为切顶高度；C为残煤厚度；T为顶煤厚度，取2.7 m；KA为冒落岩层的碎胀系数，取1.35；H为割煤高度，取3.5 m；SA为老顶下位岩梁触矸处的沉降值，取为0.2H；Km为顶煤垮落后的碎胀系数，取1.2；η为放出率，取0.85。将上述数据代入式（1）中计算得出切顶高度Mz=14 m。考虑一定的富余系数，最终确定炮孔长度L=15 m。

③ 炮孔间距计算：基于爆破方面爆生气体准静压作用理论、应力波叠加作用理论[4-5]，结合N1303回风顺槽的顶板岩性，综合确定炮孔间距为1.2 m。

具体炮孔布置方式如图2。

图2 切顶卸压炮孔布置方式示意图（mm）

（2）切顶卸压方案实施时采用孔底不耦合连续装药，装药长度9 m。单孔装药量计算公式：

式中：q为每米装药量，取值1.1 kg/m；l为装药长度，取值9 m。根据上述数据，计算得出单孔装药量为9.9 kg，装药药卷数为55 卷。设计切顶卸压爆破钻孔装药长度和封孔长度分别为9 m和6 m，采用正向起爆，1 根导爆索绑扎在炸药上，导爆索总长度为9.5 m，装药结构如图3。

图3 炮孔装药结构图

（3）切顶卸压总体施工过程。① 超前工作面50 m 以外，按设计参数进行预裂孔施工；② 超前工作面0～50 m，按设计位置布置巷内临时加强支护；③ 超前工作面30～50 m，依次实施预裂爆破。

3 沿空留巷支护技术

3.1 留巷方案设计

（1）巷旁支护设计。N1303 回风顺槽在考虑通风断面满足使用要求的前提下，充分考虑保障巷旁充填体稳定的原则，设计充填体宽度为1200 mm，留巷宽度为3800 mm，巷旁充填体采用C30 混凝土。为保障巷旁充填体的稳定，巷旁充填位置处采用高压旋喷加固底板[6]，旋喷桩桩径为800 mm，旋喷浇筑深度为3.0 m，桩身强度达到8 MPa。高压旋喷桩施工时，桩体中心距离正帮800 mm，超前工作面150 m 以外进行桩体施工，高压水泥浆浆液压力宜为20～30 MPa。充填体内部布置对拉锚栓进行加固，锚栓规格为Φ22 mm×1350 mm，间排距为800 mm×750 mm，预紧扭矩为150 N·m，如图4。

（2）待浇筑空间挡矸设计。待浇筑空间设计一般包括隔离支护（切挡矸支护）和巷旁充填步距设计两部分。

木点柱挡矸方案：生产班割煤后，紧跟支架尾快速支设一排单体支柱，单体支柱的型号为DW38，排距为800 mm。在单体支柱的支撑及掩护下，在两排单体支柱之间支设一排木点柱，木点柱为Ф200 mm×3600 mm 圆木，排距为600 mm。架前铺设菱形金属网，铺设范围不少于端尾侧5 个支架，移架后金属网落地、兜矸，与木点柱共同形成支挡结构。将采空区矸石与沿空留巷隔离，确保浇筑人员作业安全。在支设木点柱时，在柱帽内预埋双股8#铁丝，铁丝长度不小于1.5 m，用以固定柔性模板翼缘。检修班浇筑柔模混凝土墙体时将单体支柱撤回。“木点柱+金属网”挡矸结构如图4。

图4 沿空留巷支护横断面（mm）

根据以往的经验[7]，结合工作面回采工艺及现场情况，确定巷旁充填步距最大不超过6 m。

（3）超前工作面50 m 和滞后工作面100 m 范围内采用“一梁四柱”加固。由于底煤较酥软，为了提高单体支柱的整体支护效果，并减少钻底量，便于回柱，要求滞后工作面临时加强支护的单体支柱底部增加框架上底梁，底梁采用两根2600 mm 的11#工字钢对焊而成，在架设单体的位置处设置柱窝。

3.2 效果分析

N1303 工回风顺槽沿空留巷期间，在滞后工作面20 m 的位置处设置巷道位移监测站。留巷期间每间隔2 d 进行一次围岩变形观测，持续观测至工作面与测点的间距大于250 m，根据监测结果得出围岩变形曲线如图5。

分析图5（a）可知，N1303 工作面沿空留巷作业时，顶板下沉量在滞后工作面80 m 后便逐渐趋于稳定，其顶板下沉速率已降低至1 mm/d。由于沿空留巷时底板长期泡水，导致底鼓速度较大，周期较长。当监测断面滞后工作面200 m 后，顶底板变形速率开始出现一定程度的增大，但顶底板变形量的增大主要来源于底板鼓起变形。最终顶板下沉和顶底板移近量分别为101 mm 和357 mm。分析图5（b）可知，留巷两帮变形主要出现在滞后工作面17～120 m 范围内，留巷滞后工作面120 m 后两帮变形速率大幅降低，两帮围岩逐渐趋于稳定，最终两帮变形量为252 mm，充填墙体侧变形为96 mm。

图5 沿空留巷期间围岩变形曲线图

4 结论

根据N1303 工作面的地质赋存及顶底板特征，设计巷道沿空留巷前采用切顶超前卸压技术，切顶炮孔参数为Φ50 mm×15 000 mm，炮孔间距1.2 m，单孔装药量为9.9 kg，爆破作业超前工作面50 m 以外进行，留巷充填体采用C30 混凝土，宽度为1.2 m，并在充填体底部设置旋喷桩。根据留巷期间的矿压监测数据得出，回风顺槽在现有支护方案下，留巷期间围岩处于稳定状态。