综采工作面预裂切顶卸压沿空留巷技术

综采工作面预裂切顶卸压沿空留巷技术

管卫鹏

陕西陕煤澄合矿业有限公司西卓煤矿   陕西省渭南市  715300

摘要：随着我国煤炭开采技术的不断发展，沿空留巷技术已成为提高薄煤层和中厚煤层矿井资源回采率的有效手段之。然而，沿空留巷面临着重复采动带来的支撑压力过大、围岩快速变形以及支护难题等问题。因此，提升沿空留巷支护强度，控制巷道变形幅度，降低巷道失修率，对于保障回采区的安全生产具有至关重要的现实意义。为进一步提高回采率和减少巷道失修率，实施了针对某工作面的沿空留巷工程，并采用先进的“切顶卸压+补充锚索”支护策略，对预裂钻孔的切缝深度、切缝角度、爆破孔装药方式等参数进行定量计算。

关键词：综采；留巷；切顶支护；

1巷道顶板围岩力学参数及原支护方式

1.1顶板围岩物理力学参数测量

该工作面直接顶板为泥岩，平均厚度约为5.11米；基本顶板为细砂岩，平均厚度为1.73米。通过对顶板进行取芯，获取到的岩石样本进行了物理力学性能测试，结果表明，顶板围岩的单轴抗拉强度为2.46兆帕，抗压强度为32兆帕。

1.2巷道支护方式

工作面巷道设计断面呈矩形，宽度为4.8米，高度为2.6米，采用锚杆、钢筋托梁、金属网及锚索相结合的复合支护形式。

1）顶板支护。

顶板锚杆选用直径20毫米，长2000毫米的Q335高强度左旋螺纹钢筋，配备Q235型高强度托盘、调心球垫及减阻尼龙垫圈等配件。托盘规格为150毫米x150毫米x10毫米，拱高不小于36毫米。每孔填充两根K2335+Z2360锚固药卷，锚固长度约为1.3米。锚杆间距与排距均为1050毫米x1000毫米，每排布设五根，靠近侧帮的锚杆距离帮壁300毫米，与垂直线形成20度的偏斜角度。顶板上锚索采用直径17.8毫米，长6300毫米的低松弛预应力钢绞线，按三花眼设计，间距与排距均为2000毫米x1000毫米。每孔锚索眼内填充一支K2335药卷及两支Z2360锚固药卷，安装高强度拱型托盘及锁定装置，顶部用直径14毫米，长4400毫米x80毫米的钢筋托梁连接锚杆与锚索，以增强支护强度。

2）帮部支护。

帮部锚杆选用直径20毫米，长2000毫米的Q335型螺纹钢筋，配备Q235拱形高强度托盘、调心球垫及减阻尼龙垫圈等配件。托盘规格为150毫米x150毫米x10毫米，每根帮锚使用一支K2335+Z2360锚固药卷，锚固长度约为1.3米。右侧帮锚间距与排距均为1000毫米x1000毫米，每排布设三根，距离顶板300毫米的锚杆与水平线成15度的倾斜角度，其他锚杆则垂直于帮部设置；左侧帮锚间距与排距均为1600毫米x1000毫米，每排布设两根，施工参数与右侧相同。

2沿空留巷预裂切缝养护技术以及补强支护设计方案

2.1补强支护设计方案

为保障巷道安全，兼顾顶板岩性、原有的支护方式以及瓦斯钻孔施工影响等因素，选定补强锚索施工长度为8.3米。在此基础上，针对原有的顶部支护方式，临时补充打设两组锚索，分别置于预裂切缝两侧，以防断裂的顶板对锚索拉力造成损害。此外，补强锚索呈垂直顶板方向打设，共划分为2列，其中第1列为巷道留巷里帮500毫米，施工间距1000毫米处；第2列为留巷巷道外帮1400毫米，施工间距2000毫米处。所有锚索都采用W型钢带紧固，使钢带在巷道回采方向保持平行。作为核心材料，补强锚索采用了高强度的Ф21.6mm×8300mm钢绞线，并设定预紧力为40%至60%的锚索破断载荷，以确保不低于25吨的应力水平。

2.2巷道超前临时支护设计策略

在工作面回采期间，受到的应力状态属于动态平衡，且不同区域的压力承受情况各异。据此，我们可以将整个过程分为以下几个阶段：首先在工作面回采初期，随着采掘距离的延长，超过首次来压步距后，将会有部分顶板塌陷。从塌陷开始到采空区尽头趋于稳定为止，这段时间内会被定义为架后临时支护区；随后工作面逐渐向外推移，当采空区底部的石头达到一定高度，形成新的支撑层，巷道顶板压力降低至新的平衡环境时，便可取消支架后方的临时支护设施；最后，待连同巷道形成稳定区域之后（超过200毫米），就可以将临时支护系统全部移除。为实现精准控制，划分了超前支护区(所在区域由切眼前方30米起)、架后临时支护区(涵盖支架后方0至200米范围)以及路况稳定区(支架后方超过200米范围更深的地方)。

1）在超前支护区实施临时支护。

在此区域，利用3排DW31.5-250/100单体柱配合4米长π型梁进行“一梁三柱”组合支护，垂直巷道布设，施工排距为1米，单体柱间2米。在顶板接触不良的部位采用半圆形木料支撑，以保证π型梁两端及单体柱稳固，不致倾倒砸伤工人。对于单体柱设置的要求，要严格遵守迎山角规范。

2）在架后临时挡矸支护区采取措施。

此部分巷道遭受采空区顶部坍塌及支架上方实体顶板双重压力之害，尤其是巷道与采空区之间存在明显相对位移的摩擦作用，动压更为显著。因此，根据以往巷道观测经验，在支架后方0至200米范围内必须加强顶板防护。目前，较为理想的防护方法是采用单体柱配合π型梁临时支架抬棚。每根π型梁下，配设4根单体支柱，施工排距500毫米。首批单体支柱仅需在外侧切缝线200毫米处设立，支架间距500毫米，其后剩余3跟依次按排列间距800毫米、1800毫米、3800毫米设立。为防止施工期间顶板坠石入侵作业现场，应用钢筋网、单体支柱及预先制作好的可伸缩U型钢腿护住煤壁，对于局部区域，必要时可在棚腿后背铺垫半圆形木料加强防护。可伸缩U型钢腿铺设间距500毫米，单体柱与棚腿间至少保持250毫米间隔。钢筋网片选用厚度6.5毫米的双向焊接网格。

3)成巷稳定区临时支护。

此阶段巷道所受应力影响较小，通过矿压观测数据分析，该区域内的锚杆、锚索拉力受到破坏影响较小，顶板离层和底鼓量相对较小，打设单体柱的活柱伸缩变形量也未受到影响，综合判断该段巷道的受力达到平衡状态，或者衰减较快，未能释放足够能量对巷道支护产生破坏，处于新的稳定状态。判定标准：顶底板移近量变化<1 mm>

3沿空留巷顶板预裂切顶效果

3.1巷道移近量分析

为分析在沿空留巷内采取补强支护措施的实际效果，通过在留巷段巷道内每间隔40 m设置一处位移观测站，在里段实体回采段巷道内（设计100mm左右）每间隔20 m设置一处位移观测站，分析对比两种回采方式下巷道顶底和两帮受力变形移近量变化情况。经过实际观察测量，回采期间采取顶板全部垮落法管理的里段巷道形变量较大，超前支护段动压不稳定区域的顶板离层最大值为357mm，最大底鼓量为496 mm，两帮部最大移近量为528 mm；采取切顶预裂卸压措施后的沿空留巷段巷道顶板最大移近量为144 mm，底鼓量为317 mm，两帮最大移近量为405 mm。实测数据显示，在沿空留巷内采取切顶预裂卸压措施后取得的巷道支护强度明显提升，留巷效果显著。

3.2锚杆拉拔试验分析

对留巷段和非留巷段巷道内的顶板锚杆进行拉拔力试验抽检，分析工作面在回采期间顶板围岩应力的释放对巷道产生的压力破坏作用，以及支护强度产生的变化效果。经过现场测试，留巷段里面100 mm范围未采取切顶预裂的巷道支护锚杆抽检13根，仅有6根合格，其余3根出现退锚现象，4根拉拔力数值较低，锚固力只达到53～60 kN，均不合格，合格率只占46.1%；在沿空留巷段巷道内抽检锚杆16根，出现3根锚杆不合格，原因为该段顶板出现离层严重，顶板破碎，拉拔力数值较低，但整体抽检效果较好，合格率达到81.2%，补强后的支护效果明显提升。

4结论

通过对某工作面顶底板岩性和工作面煤厚等地质条件的深入分析，对预裂爆破方案中的切顶割逢深度、切缝角度和爆破钻孔破坏影响半径、装药方式等进行理论计算，为制定施工方案提供技术支撑。

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