薄煤層巷道留頂煤掘進施工工藝研究

孫 旭 李士忠 張榮秋

（山東泉興礦業(yè)集團有限責任公司，山東 滕州 277500）

在薄煤層巷道掘進日常施工中，16112下材全斷面一次起爆施工，造成煤矸混出，浪費資源，煤炭回收率低，為減少資源浪費，多回收煤炭，創(chuàng)造經(jīng)濟效益最大化，16112下材探索采取分放分運留頂煤方式進行施工。

1 概況

16112下材巷道地面位于工廣北，距離900m處，地面為荊河東南部耕地；井下位于三水平西翼軌道右翼，北部為161采區(qū)邊界，東部為未開采區(qū)，南部為西翼皮帶、軌道巷，西部為16110工作面。16112下材設計長度448m，巷道斷面：凈寬2500mm，凈高2050mm。

16112下材所采煤層為16層煤。頂板為十下灰?guī)r，平均層厚為5.16m，底板為粘土中砂巖，結構簡單，硬度系數(shù)f=4～6。

16112下材煤層北高南低，煤層傾角0～8°，西北部傾角較大，中部煤層傾角較小，一般3～5°。根據(jù)相鄰16112中運掘進施工期間地質資料分析，16112中運掘進期間共揭露一條落差為1.4m的正斷層，預計16112下材掘進期間無大的地質構造，只是局部存在較小構造。

16煤兩極為0.36～1.05m，煤層平均厚0.65m。

表1 煤層頂、底板巖性特征表

2 分放分運留頂煤施工方式

（1）施工方式：掘進時，先按照掘矸斷面施工（掘矸斷面：寬×高=2600mm×1700mm），將底部矸石掏出，然后對留頂煤進行補打錨桿支護，待掘矸施工15～20m后一次性將巷道頂煤放掉（放煤斷面：寬×高=2600mm×650mm）。

（2）循環(huán)進尺：掘矸施工期間，每班循環(huán)進尺為1500mm，放頂板煤施工每班循環(huán)進尺為5000mm。

3 分放分運時的支護

3.1 留頂煤掘進施工支護

（1）留頂煤掘進施工時，采用錨桿支護，錨桿Ф16mm，長度1600mm圓鋼錨桿配合鋼托盤進行支護(見圖1)。錨桿施工一排，打在巷道頂板中間（錨桿角度為80°～85°），錨桿排距1300mm，鋼背板規(guī)格為：長1500mm，寬400mm。每根錨桿均用2塊水泥錨固劑固定，水泥錨固劑規(guī)格為Ф37×225mm，錨固長度不少于450mm，錨桿外露長度10～50mm，錨桿均使用配套標準螺母緊固，每根錨桿錨固力不小于50kN。

圖1 16112下材支護示意圖（單位：mm）

（2）留頂煤施工支護設計

按懸吊理論計算錨桿參數(shù)：

①錨桿長度計算

L=KH+L1+L2

式中：

L-錨桿長度，m；

H-冒落拱高度，m；

K-安全系數(shù)，一般取K=2；

L1-錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗取0.391m（錨桿角度按80°計算）；

L2-錨桿在巷道中的外露長度，一般取0.1m；

式中：

B-巷道開掘寬度，取2.6m(取最大值)；

f—巖石堅固性系數(shù)，5～20；

則L=2×0.26 +0.391+0.1=1.01(m)

②錨桿間距、排距計算，通常間排距相等，取a：

式中：

a-錨桿間排距，m；

Q-錨桿設計錨固力，50kN/根；

H-冒落拱高度，取0.6m；

r-被錨固的煤重力密度1.28t/m3，取12.54kN/m3；

K-安全系數(shù)，一般取K=2。

支護密度為：1/a2=1/1.82×1.82=0.3棵/m2

根據(jù)以上計算所得16層煤分打分放，留頂煤掘進，選用Ф0.16m、長度1.6m的錨桿，錨桿排距為1.3m，支護密度為1.3棵/m2＞0.3棵/m2，能夠滿足安全支護要求。

3.2 留頂煤掘進與永久支護的銜接

（1）留頂煤施工時，掘矸放炮后及時施工錨桿支護，錨桿支護施工完畢，方可進行扒矸。（施工錨桿支護時，迎頭最大空頂距離不超過1300mm，超過最大控頂距時應使用臨時支護，臨時支護使用直徑16cm圓木、木楔進行支護，臨時支護完畢后方可施工頂板錨桿支護，頂板錨桿施工后回撤臨時支護），施工錨桿支護應及時跟到迎頭，嚴禁空頂作業(yè)。

（2）待掘矸施工15～20m后一次性將巷道頂煤放掉，頂煤放掉后把頂板錨桿支護突出部分鋸掉，鋸掉后對巷道兩幫進行永久支護。

（3）巷道永久支護設計

16112下材正巷頂板為十下灰?guī)r，平均厚度5.16m，不進行支護，兩幫采用Ф16mm，長度為1000mm圓鋼錨桿，托盤規(guī)格為方形100×100mm，每根錨桿均用2塊水泥錨固劑固定，錨固長度不少于450mm，錨桿露出螺母長度為10～50mm，錨桿均使用配套標準螺母緊固，水泥錨固劑規(guī)格為Ф37×225mm，每根錨桿錨固力不小于50kN。

附：兩幫支護方式設計。

按松動圈理論計算錨桿參數(shù)：

①兩幫錨桿長度計算

L=KH+L1+L2

式中：

L-錨桿長度，m；

H-圍巖松動圈，較穩(wěn)定的砂巖一般取0.4m；

K-安全系數(shù)，一般取1～1.5；

L1-錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗取0.3m；

L2-錨桿在巷道中的外露長度，一般取0.1m；

則L=1.5×0.4+0.3+0.1=1.0(m)

②兩幫錨桿間距、排距計算，通常間排距相等，取a：

式中：

a-錨桿間排距，m；

Q-錨桿設計錨固力，50kN/根；

H-圍巖松動圈，較穩(wěn)定的砂巖一般取0.4m；

r-被錨固砂巖的重力密度，取25.48kN/m3；

K-安全系數(shù)，一般取K=1～1.5。

a=1.8m。

支護密度為：1/a2=1/1.8×1.8=0.3棵/m2。

16煤頂板為十下灰?guī)r，平均厚度5.16m，圍巖穩(wěn)定，致密堅硬。根據(jù)圍巖松動圈支護理論，圍巖松動圈Lp是圍巖應力Po和圍巖強度R的函數(shù)，即Lp=57.80×Po/Ra-51.56

式中：

Lp-圍巖松動圈；

Po-圍巖應力，灰?guī)r取2.4；

Ra-圍巖強度，灰?guī)r取100。

Lp=2.86＜40cm，屬小松動圈。

表2 松動圈圍巖分類表

松動圈圍巖分類表，十下灰?guī)r屬穩(wěn)定圍巖，Lp為0～40cm屬小松動圈，圍巖整體性好，不易風化，可不支護；巷道跨度在3～7m范圍內(nèi)，其他條件不變時，松動圈值變化不明顯。

綜上所述，目前16112下材掘進荒寬度2.6m的巖超煤巷道，頂板完全不需支護。為安全起見，當巷道寬度大于3.6m時（施工硐室時巷道寬度達到3.6m），頂板補打一排錨桿（在2.5m處進行補打，錨桿采用Ф16mm，長度為1600mm圓鋼錨桿，排距1000mm）；由于兩幫是煤和砂巖，兩幫采用錨網(wǎng)（塑料網(wǎng)）配合皮帶條進行支護。

通過以上計算，兩幫選用Φ16mm、長度1000mm的圓鋼錨桿，完全滿足安全支護要求。當遇斷層及地質構造帶幫部圍巖松軟破碎時，圍巖穩(wěn)定性較差，應及時縮小間排距或選用Φ16mm、長度1600mm的圓鋼錨桿；若頂板破碎出現(xiàn)裂隙時應進行錨網(wǎng)支護（選用鋼網(wǎng)規(guī)格為1400mm×1100mm及Φ16mm、長度1600mm的圓鋼錨桿），加強支護密度。

4 安全注意事項

（1）掘進矸石打眼時，頂眼距離煤層不少于20cm，頂眼打直眼，頂眼裝藥量為2塊（一塊藥200g），確保成型規(guī)整。

（2）放頂煤時，必須由外向里進行，嚴禁由里向外施工。放頂煤后，及時截割處理頂板錨桿，若頂板破碎或出現(xiàn)裂隙時及時補打錨網(wǎng)支護，或架設工字鋼棚支護。

（3）施工過程中，若頂板破碎及煤層變化出現(xiàn)錯層、斷層時，將不留頂煤掘進，采用全斷面一次起爆、煤矸混出。

5 效益

留頂煤掘進分放分運，每米巷道可產(chǎn)出2.6m×0.65m×1.28t/m3=2.1632t原煤，按照目前市場銷售價格600元/t計算，每米巷道可創(chuàng)造經(jīng)濟效益1297.92元；按照巷道總長度（448m）計算可創(chuàng)造經(jīng)濟效益58.15萬元。