8501 工作面沿空留巷技术研究及应用

纪鹏伟

（晋能控股煤业集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

1 地质概况

晋华宫矿7-1#煤层整体呈向斜构造，煤层走向东部近东西向，倾向近东，西部近南北向，倾向西部近南，煤层结构简单。305 盘区8501 工作面为首采工作面，可采走向长度903 m，倾向长度203.8 m，采高3 m，煤层厚1.70～2.95 m，平均2.11 m，煤层倾斜角度为1°～15°，平均7°，局部含有1层矸石，厚度为0.55 m。基本顶是5.38 m 厚的灰色粉砂岩，直接顶是3.18 m厚的深灰色砂质泥岩，直接底是0.52 m 厚的黑灰色砂质泥岩，基本底是1.87 m 厚的灰色细砂岩。工作面顺槽沿煤层顶板方向掘进。为了提高矿井煤炭资源回收率，解决采掘不连续问题，在8501 工作面进行切顶卸压沿空留巷[1-3]。

2 关键参数计算

2.1 预裂切顶高度计算

在工作面回采完后，煤层的直接顶会率先出现离层和垮落，失去与沿空留巷的力学联系，加上基本顶在留巷一侧有一段长距离的悬顶，会支撑起整个上覆岩层，使沿空留巷的附加应力增加，造成留巷支护比较困难[4]。通过预裂爆破技术可以有效缩短基本顶的悬臂长度，将整个岩层的断裂线进行转移，转移到采空区一侧，缓解巷道的围岩应力。同时，利用切顶后岩石垮落碎胀，采空区内被垮落的岩石充满，给上覆岩层产生更好的支撑，从而减缓顶板回转下沉对沿空留巷造成的影响。切顶高度示意图如图1。

图1 切顶高度示意图

预裂切顶高度计算公式为：

式中：HQ为预裂切顶高度，m；M为煤层厚度，m；Hi为岩层厚度，m；KP为岩石平均碎胀系数，一般取1.3～1.5。

在切顶范围内，砂质泥岩的厚度为3.18 m，粉砂岩的厚度为5.38 m，得出泥岩占比为37%，砂岩占比为63%。根据加权平均计算方法，得到顶板垮落岩石碎胀系数为1.34。由于煤层的厚度变化较小，因此在计算时，忽略顶板的下沉量及底鼓量，工作面的采高为3.0 m，可计算出预裂切缝高度为8.8 m。根据计算结果，参考相关理论分析，确定最终的预裂切缝高度为9.0 m。

2.2 切顶角度计算

随着工作面不断推进，基本顶达到最大距离后会出现极限断裂。在水平压力的作用下，顶板的破碎岩块相互啮合，形成稳定的砌体梁结构。同时，在基本顶端头断裂处会形成一个弧形的三角块体，构成一个三铰拱稳定结构。由于这些稳定的砌体结构，基本顶还可以继续向煤层岩体传递应力，对沿空留巷围岩的稳定造成影响。在采用切顶卸压自成巷技术时，断裂的切缝面会形成一个咬合面，其围岩结构如图2。只有当关键块B 沿着切缝面逐渐滑落到失去稳定时，才能确保基本顶彻底垮落，同时传递应力路径被切断。

图2 切顶卸压自成巷围岩结构

根据实际开采效果分析，当切缝角度较大时，在影响顶板垮落的同时还会影响应力集中分布情况。因此，要选择合适的切缝角，便于顶板垮落，同时合理分布采场应力。通过理论和实际分析，最终确定最佳切缝角为15°，且在切缝孔间距为500 mm 时，预裂切顶成缝的效果最好。

3 沿空留巷技术方案

通过预裂切顶成缝技术，可以在一定范围内分隔出工作面顶板和巷道顶板，以此切断通过巷道顶板传递应力的路径，较好地保留沿空留巷顶板的完整性。在工作面推进过程中，留巷在采动压力的影响下会出现变形，采用锚索补强支护技术，有效地控制底板下沉，最大限度地发挥巷道围岩自身的承载压力，减少巷道围岩变形，确保沿空留巷的效果。

3.1 锚索补强支护

对巷道顶板采用锚索补强支护方案，将锚索布置在切缝一侧，每米补打1～3根锚索。根据工程经验，结合原有支护形式及相关支护参数，使用直径21.8 mm、长度12 000 mm 锚索，预紧力20 t 以上。在与顶板垂直方向上共布置3 列锚索，其中第1 列锚索与留巷正帮的间排距为500 mm×1000 mm，第2 列锚索与留巷正帮的间排距为1500 mm×3000 mm，第3 列锚索与留巷副帮的间排距为1500 mm×3000 mm。第1 列锚索与其相邻锚索之间使用W 型钢带连接，W 型钢带的尺寸规格为2.4 m×280 mm×4 mm，眼距为1 m，钢带与巷道走向平行。切巷正对部分的端锚补强支护约为巷道宽度的三倍，取12 m，排距调整为1 m。锚索补强支护图如图3。

图3 锚索补强支护图（mm）

3.2 临时支护

在工作面开采过程中，由于巷道在不同位置受到的采动压力影响有大有小，随着工作面不断推进，顶板会出现垮落。对离工作面距离较小的架后段进行临时顶板支护和挡矸支护，在离工作面距离较大时，由于受采动压力的影响较小，顶板逐渐趋于稳定，此时可以撤掉临时支护，只进行挡矸支护。

根据现场监测结果，将工作面划分为工作面前0～30 m 的超前支护区段、架后0～200 m 的架后临时支护区段和架后200 m 后的成巷稳定区段三个区段，根据不同的区段分别采取不同的支护措施。

3.2.1 超前支护区段

超前支护区位于工作面超前采动区，受超前压力的影响较大，因而需要进行超前加强支护。根据工作面现有支护设备及条件，采用单体液压支柱+“π”型梁联合支护方式。其中单体液压支柱采用一梁四柱的方式垂直于巷道布置，第一排超前单体液压支柱距离切顶线600 mm，其余的三排超前单体液压支柱距离正帮的距离分别为1000 mm、1300 mm、1000 mm，每一排单体液压支柱的排距为1000 mm；π 梁之间的单体液压支柱通过硬连接装置连接。由于转载机在推移过程中会影响中间一排单体液压支柱，因此，在转载机推移过程中可以先适当调整中间点柱的位置，待推移作业完成后再将中间点柱调整到指定位置。具体的巷道支护断面如图4。

图4 超前支护区支护断面设计（mm）

3.2.2 架后临时支护区段

架后临时支护区位于工作面超后影响区。由于采空区顶板岩层垮落后，会与巷道顶板产生摩擦，在采动压力影响下，顶板的压力较大，因此，对此段巷道顶板进行临时加强支护。根据工作面现有支护设备及条件，采用单体液压支柱+“π”型梁联合支护方式。

在靠近古塘侧先架设一排单体支柱，与切缝线的距离为500 mm，排距为500 mm，暂不回收。再采用一梁四柱架设单体支柱，每排布置4 根单体液压支柱，排距为1000 mm。其中第一排单体液压支柱与切缝线的距离为1300 mm，其余三根单体液压支柱与正帮的距离分别为2100 mm、2900 mm 和3900 mm。为了防止矸石混入采空区内，采用单体液压支柱+可伸缩U 型钢+钢筋网的联合支护方式进行临时挡矸支护。具体的巷道支护断面如图5。

图5 架后临时支护断面设计（mm）

3.2.3 成巷稳定区段

在工作面成巷稳定区，根据矿压监测结果，当顶底板的位移量和锚索受力逐渐稳定时，认为顶板的状态相对稳定，此时巷道受采动影响较小，因而可以将顶板支护回撤，只保留挡矸支护，采用可伸缩U 型钢支护方式。具体的巷道支护断面如图6。

图6 成巷稳定区支护断面设计（mm）

4 效果分析

在采用切顶卸压沿空留巷开采技术后，实时监测巷道变形及受力情况。留巷起始位置每间隔50 m布置一个观测站，共布置19 个观测站，主要监测锚索补强和单体液压支柱的受力变形情况。柔性探测单元至少超前工作面100 m。通过监测结果得出，工作面中部的来压强度最高，其液压支架承受的最大工作阻力为41.11 MPa；未切缝一侧的来压强度相对中部来压强度有所降低，液压支架承受的最大工作阻力为40.07 MPa；切缝一侧的来压强度最小，液压支架承受的最大工作阻力为35.5 MPa，比未切缝一侧约减小12. 8%；切顶沿空留巷技术的卸压效果较好，可以有效降低来压强度。

5 结论

（1）根据晋华宫矿8501 工作面的工程地质条件，结合沿空留巷技术原理，确定合理的预裂切顶高度为9.0 m，切顶角度为15°。

（2）对巷道不同分区段进行临时支护，现场监测结果表明，在采用切顶沿空留巷技术后，切缝一侧的来压强度最小，液压支架承受的最大工作阻力为35.5 MPa，比未切缝一侧约减小12. 8%，切顶沿空留巷技术的卸压效果较好，可以有效降低来压强度。