范子伟

（山煤集团煤业管理有限公司 ，山西 太原 030006）

0 引言

我国煤矿地下巷道总长超过4.0万km，其中受采动影响的煤巷约占80%。对于一些采空侧巷道、采动影响剧烈的巷道，即使留设较宽的区段为主，不但不能维护回采巷道的安全稳定，而且浪费大量的煤炭资源[1]。因此，经过科学发展不断进步，沿空留巷技术应运而生[2]。相比较留设煤柱维护巷道而言，可以提高煤炭采出率，及有效的控制巷道稳定，对矿井安全高效开采具有重要意义[2]。

现阶段，许多研究学者针对沿空留巷围岩控制技术进行了研究。谢生荣[3]针对邢东矿大采高工作面，分析了沿空留巷顶板关键块B的不同下沉量情况，有效地控制了巷道围岩变形；赵一鸣[4]分析了厚硬顶板大面积悬露问题，并采用了深孔预裂爆破放顶技术；段昌瑞[5]采用理论分析了严控巷道矿压显现特征，采取放顶技术减小了关键块的下沉变形和回转。现由于凌志达煤矿工作面环境较为复杂，现针对其工作面具体条件分析沿空留巷围岩结构及变形特征，保证巷道安全稳定。

1 工程概况

1.1 矿井概况

山西煤炭进出口集团凌志达煤业有限公司矿井生产能力为150万t/a，随着矿井生产效率的不断提高，传统的巷道布置方式已不能满足采掘接替的需要，同时留设护巷煤柱也造成了煤炭资源的浪费。目前，矿井设计中工作面区段保护煤柱宽度为20m，不仅造成了大量的煤炭资源损失，降低了煤炭采出率。同时，下区段工作面回采期间采空侧回采巷道维护量大，给矿井安全高效带来安全隐患。因此，凌志达煤矿拟结合15210工作面煤层、顶底板力学性质和采、掘等生产地质条件，进行无煤柱沿空留巷技术研究。

1.2 工作面具体条件

15210工作面所采煤层为15号煤层，属结构简单-复杂近水平中厚煤层。15210工作面煤层厚度在4～4.5m之间，平均4.28m。煤层倾角3～6°。煤层直接顶为平均厚度0.7m的泥岩和平均厚度1.1m的14#煤，据巷道掘进揭露的情况，大多数直接顶缺失，15#煤上方多为坚硬的K2灰岩，其平均厚度为6.02m。该煤层顶底板情况见表1。

15210工作面位于二采区南部，其东部为15208工作面，西部为实体煤，南部为井田边界，北部为东翼回风大巷。盖山厚度195～300m，平均埋藏深度260.5m。15210工作面长度200m，回风顺槽（辅助进风顺槽）设计长度1890m，其采掘工程平面图见图1所示。

表1 煤层顶底板情况表

图1 15210工作面采掘工程平面图

2 沿空留巷顶板矿压显现特征

煤层开采后，分析其上覆岩层运动破断规律对沿空留巷的稳定性有非常重要的意义。由砌体梁理论分析可知，沿空留巷顶板大面积来压演化过程如图2所示。

图2 沿空留巷大面积来压演化过程

根据15210工作面具体地质条件可知，煤层上方有一层坚硬的石灰岩顶板，随着15210工作面不断地向前推进，坚硬顶板的悬露面积也在不断地增大，如图（a）所示。在悬露面积达到一定的极限值时，顶板会弯曲下沉而这时坚硬顶板及其上覆岩层的载荷将作用在巷旁充填体和顶板上方，如图（b）所示。当悬露面积超过极限值，就会因为其内部产生的拉应力大于顶板抗拉强度而发生破断，然后上覆岩层发生整体下沉回转垮落，这种大范围的整体下沉，会对沿空巷道和巷旁支护体造成较大的变形破坏，如图（c）所示，沿空留巷安全无法得到保障。大面积来压主要发生在厚层坚硬顶板中，这类岩石的特征是抗拉强度和抗压强度较大且节理不发育。

3 坚硬顶板处理技术研究

3.1 聚能爆破切顶技术研究

为了避免坚硬顶板沿空留巷时出现顶板动力灾害，通常需要对顶板采取一定控制措施，根据理论分析及前期工程经验，定为在工作面初次来压前，采用浅孔聚能爆破和充填体切断基本顶；初次来压后，采用密集钻孔和充填体切顶，若出现顶板不垮冒情况，再采用水力致裂等其它技术措施处理顶板。使得沿空巷道上方岩层矿山压力充分释放，保证巷道的安全稳定。

根据相关工程经验及计算，确定炮孔深度6.0m，间距1.0m，为方便顶板跨落，设计炮孔向工作面侧偏转10°，同时为了避免对充填体的破坏，设计炮孔距充填体距离为300～500mm，正向装药，每节聚能管装入35mm、L=200mm药卷8支，每孔装入2节聚能管，在每节聚能管最后一卷药上安设好一发雷管，将脚线引出，然后用炮泥堵好聚能管口，封泥长度2.8m。炮孔的具体参数见表2所示，炮孔布置如图3所示。

表2 炮孔具体参数

图3 炮孔布置示意图

当工作面初次来压后，可采用密集钻孔和充填体共同切顶，将钻孔间距更改为500mm，其余不变。若在留巷的过程中，出现特别坚硬的顶板，再增加水力定向切割等措施处理。

3.2 数值模拟

图4 切顶前后留巷围岩结构对比图

为了更好地突显聚能爆破弱化顶板的效果，利用离散元软件UEDC模拟厚层坚硬顶板条件下切顶前后沿空留巷的围岩结构特征，如图4所示。

在巷道采空区侧的临时支护区进行切割形成预裂切顶线，首先会切落下位的直接顶，后期上位基本顶将会在巷旁充填体承载之后沿着预裂切缝切落。随着工作面的推进，基本顶以及更上位顶板将会在巷旁充填体的支撑作用下沿着形成的预裂切缝切落。这样一来随着采空区侧顶板的切落，比较好的保证了所留巷道上方顶板的稳定性和完整性，达到保存预留巷道为下一工作面服务的目的。

4 工业试验

凌志达煤矿15210工作面采用无煤柱沿空留巷，采用聚能爆破切顶技术维护严控巷道围岩，并采取一定的加强支护技术。掘进巷道后，采用十字布点法针对巷道围岩变形量进行监测，观测周期为30天。记录并处理数据，得到在巷道掘进18天后巷道顶底板移近量稳定在76mm，两帮移近量稳定在94m，巷道变形量得到了有效的控制，保证了沿空巷道的安全稳定。

5 结束语

对现阶段坚硬顶板大采高工作面沿空留巷围岩变形较大等问题，针对凌志达煤矿15210工作面具体地质赋存条件，分析了沿空留巷顶板岩层矿压显现特征，并采用了聚能爆破切顶技术对沿空巷道顶板岩层进行切顶，并采用UDEC进行了数值模拟验证。最后进行了工业试验，沿空巷道没有出现较大的变形破坏，取得了良好的应用效果。