无煤柱切顶沿空留巷支护技术应用

无煤柱切顶沿空留巷支护技术应用

胡水林

陕西澄城董东煤业有限责任公司 陕西 渭南 715200

沿空留巷意义：

无煤柱切顶沿空留巷开采是指工作面回采时，沿采空区边缘维护原回采巷道，不设置护巷煤柱。采用一定手段将上一区段工作面上顺槽维护保留，作为下一段工作面回采的下顺槽。它不仅可以合理开发煤炭资源、避免浪费煤柱从而提高煤炭资源采出率、提高煤炭回收率、减少煤炭的损失，增加矿井服务年限。此外，该方法通过少掘进一条巷道的方式，缓和了矿井生产接替的矛盾，减少了工作面综合机械化设备的搬运和安装时间、预防采空区煤层自燃的发生，属于有利于矿井安全生产和改善矿井技术经济效果的一项护巷技术。

陕西澄城董东煤业公司地处陕西澄城县，位于渭北煤田东部，下属矿井地质条件较为复杂，开采成本相对较高。在当前煤炭行业去产能、去库存、降成本的大环境下，在渭北矿区董东煤矿开展无煤柱切顶沿空留巷技术应用，对提高煤炭回收率，缓解煤炭经济下行压力及该矿区的可持续发展势必有重大意义。

采区概况：董东矿50120工作面位于501采区南部区段，西临杨家庄保安煤柱，南至越家庄。地面标高+697.8m～+706.7m，工作面标高+302m～+322m，可采煤层5#煤。走向长度642m，倾斜长度150m面积96300m²。

煤层：5号煤为黑色，半亮型，由亮煤及暗煤组成,条带状结构，含黄铁矿结核，煤层厚1.97～4.61m，平均厚3.3m，煤层倾角平均6°，一般含夹矸一至二层，夹矸不稳定，厚0.2～3.4m，夹矸多为炭质泥岩或铝土质泥岩，在5号煤层与K4之间，局部有一层4号煤，厚0.1～0.3m。煤的工业分类为贫瘦煤；5号煤基本顶为粉砂岩，灰黑色，含灰质黄铁矿结核及大量云母片，厚3.52～6.6m，直接顶为砂质泥岩，灰黑色，可见云母片，含黄铁矿结核及少量植物碎片化石，厚0.53～4.41m；基本顶与直接顶间夹一层4号煤，厚0.1m～0.3m，直接顶和4号煤不稳定，个别地段缺失，相变为炭质泥岩伪顶或5号煤合层。5号煤底板为石英砂岩、粉砂岩、砂质泥岩，厚0.5～6.2m。

水文地质：50120工作面充水因素为上覆K4、K*、K中砂岩裂隙水和孔隙水，K*砂岩含水层距5号煤层9～14m，K中砂岩含水层距5号煤层37～72m，其富水性弱至中等。5号煤下覆含水层为K2灰岩、奥灰岩溶水，K2灰岩含水层上距5号煤层15～19m，奥灰岩含水层上距5号煤层33～35m，铝土泥岩厚度10.4m。

该工作面5号煤层底板标高为+273.5m～+341.5mm，属承压开采，奥灰岩溶含水层突水系数为 0.008～0.030MPa/m，突水系数小于临界值0.06 MPa/m。

1、正常涌水量：80～120 m³/h

2、最大涌水量：253（m³/h）

综合评价：通过现场观测、理论分析及数值模拟分析采场工作面矿压规律和支护阻力，分析影响巷道稳定性、施工工艺的关键因素，优化董东煤业公司无煤柱开采切顶成巷关键参数、采掘一体化工序及配套装备设计。

应用中存在的问题：

1.无煤柱切顶沿空留巷缺少煤柱的过渡作用，采空区直接与巷道相连，受采动影响大，巷道矿压显现剧烈；

2.无煤柱切顶沿空留巷的巷道支护仍按照传统的支护方法开展，普遍支护级别低，尤其是巷道的支撑能力远远不足。现有的现场支护中，支称结构损坏严重；

3董东煤矿顶板破碎情况严重，加剧切顶沿空留巷巷道支护的难度；

4.50120回风巷道起伏较为严重，加剧挡矸支护的难度；

5.同类条件下的巷道支护问题缺乏相应的理论基础及借鉴经验。

解决方案：为了完成董东煤矿50120回风巷无煤柱切顶沿空留巷的难度，提高留巷效率，采取以下措施。

1.提高巷道支护强度级别，更多从50120回风巷实际出发，进一步保证无煤柱切顶开采的安全、高效性；

2.提高支护的机械化程度，一方面加密支柱密度，保证了支护强度，另一方面降低工人劳动强度。

原巷道支护方案：

图1 50120回风巷支护断面图

50120回风巷支护方式采用锚网索钢带联合支护，顶部采用φ20×2400mm左旋螺纹钢锚杆，帮部采用φ20×3000mm右旋螺纹钢锚杆，矩形布置，间排距800×800mm。顶部锚杆托盘为Q235型钢托盘，帮部锚杆托盘采用长300mmW型钢带托盘外加钢托盘。锚索打在两排锚杆之间，采用18.9×7300mm钢绞线，间排距1200×1600mm，锚索直接打在钢带上，钢带采用长2600mmT型钢带，顶部及非采煤侧帮部使用GB10号铁丝编制的可缩性金属网，网片规格：900×2600mm，网格：50×50mm，网片采用14号铁丝双股逢孔绑扎，采煤侧帮部使用双抗网，采用PP200MS逢孔绑扎。锚固剂均采用MSZ23/60型树脂药卷锚固，每根锚杆使用2节，锚固力不小于85KN；每根锚索使用3节，锚固力不小于200KN。

沿空留巷超前支护方案：

为了防止切顶过程和周期来压期间巷道的围岩大变形，在实施顶板预裂切缝前采用“锚索+T型钢带”提前对所留巷道进行补强支护加固。锚索、钢带顺巷道方向布置一排，锚索距留巷碎石帮距离为500mm, 锚索直径为φ18.9mm，长度10000mm，间距800mm，相邻三根锚索之间用钢带连接，钢带之间必须搭接，锚索预紧力为20t。详细设计参数如下图所示：

图2 50120回风巷超前补强支护断面图

图2 50120回风巷超前补强支护平面图

沿空留巷后巷加强支护方案：

按上覆岩层经验公式可得，岩石平均容重2.5KN/m²，留巷所在煤层埋深约400m，地应力约为10MPa。

在沿空留巷后巷使用沿空留巷新型单体，在原锚杆锚索支护的基础上，使用一梁3柱，排距0.8m的方式进行加强支护即可达到支护阻力要求，具体布置方案如下图所示：

图2 50120回风巷支护断面图

图3 硅锰钢挡矸柱示意图

硅锰钢挡矸柱顶底需焊接大托盘以增加受力面积，长度根据巷道起伏分段切割，以便于适应所有巷道高度，达到挡矸支护的目的。

挡矸柱采用硅锰钢管具有强度高，抗弯能力强的特点，能够适应复杂顶板条件下的采空侧挡矸环境。

挡矸结构与垮落岩体作用关系：

采空侧切顶（预裂）爆破后，巷道顶板由原来的支撑梁变为悬臂梁结构。根据沿空留巷的顶板运动按时间划分为前期活动、过渡期活动和后期活动，过渡期活动为留巷顶板活动最剧烈也是最危险的时期。因此在过渡时期，采空侧帮需给予让压大变形，使矿压有传递和疏导的过程，进而悬臂梁末端一定范围岩层发生断裂，形成让压二次裂隙，如图所示。

图5 顶板结构示意图

采空区侧帮塌落矸石侧压力：一部分由基本顶及其上覆软弱岩层自重引起；另一部分由采空区碎落矸石堆积自重引起。为提高支护结构的安全储备，仅考虑铰接约束边界条件。矸石侧压示意图如图所示。

图6 采空侧帮矸石侧压示意图

矸石侧压力采用类比法，假定：碎落矸石塌落堆积的状态符合经典土压力理论。根据朗肯主动土压力理论计算，可得面荷载σ，由单根挡矸柱的作用范围即排距取s，再经面荷载向线荷载转换，综上得出巷旁上端矸石侧压q_s和下端矸石侧压q_x：

式中，s——挡矸柱排距，m；

γ——顶板岩石容重，kN/m³；

h₁——基本顶岩层厚度，m；

K_s——碎胀矸石压力系数,

γ_d——采空区碎落矸石容重，kN/m³；

h_d——采空区矸石碎落堆积高度，m。

根据董东矿地质条件，基本顶岩层厚度取3m，顶板岩石容重2.5 kN/m³，碎涨系数取最大值1.2，采空区矸石容重2 kN/m³，挡矸柱排距取0.6和0.8。

经计算得：

挡矸柱间距0.6m时：

q_s=5.4 kN/m q_x=12.6kN/m；

挡矸柱间距0.8m时：

q_s=7.2 kN/m q_x=16.8 kN/m；

将梯形分布荷载转化成矩形分布荷载，并且最终简化作用在采空侧帮支护结构上为均布荷载q，如图所示。

图7 采空侧帮矸石压力转化示意图

结合以上公式得侧帮线荷载q：

式中，q_s——采空侧帮上端矸石压力，kN/m；

q_x——采空侧帮下端矸石压力，kN/m。

则侧帮线载荷q为：挡矸柱间距0.8m时为12KN/m，挡矸柱间距为0.6m时为9KN/m。

巷道两帮顶板压力：一部分是巷道顶板基本顶岩层自重；另一部分是巷道顶板直接顶岩层自重。悬臂梁末端岩层旋转断裂，对支护结构产生弯矩，但挡矸柱相对于旋转岩层尺寸较小，岩层旋转产生的弯矩在挡矸柱上体现不明显，非采煤侧帮支撑由煤帮提供。

综上得顶板压力，同理，将面荷载转化为线荷载，巷道顶板岩层线荷载为：q₁=sγh₁，q₂=sγh₂，如图所示。

图8 巷道两帮顶板压力支护力学简化模型

综上，采空侧帮顶板压力p:

式中，h₂——直接顶岩层厚度，m；

b——巷道宽度，m。

代入计算得：

挡杆间距0.8m时，侧帮顶板压力为22.5KN。

档杆间距0.6m时，侧帮顶板压力为16.875KN。

结合以上分析，简化侧帮支护结构力学模型，如图所示，即顶板压力p和矸石侧压力q。

图9 采空区侧帮支撑结构简化力学模型

经过验证采用直径为100mm（外径110mm的）硅锰钢管可承受50120工作面采空区侧压及采空侧顶底板压力；目前，此工作面已经回采推进200余米，沿空留巷支护设计能满足生产实际需要，从而解决了生产接续紧张问题，节约了开掘巷道资金投入问题，提高了经济效益。