薄煤層巷道留頂煤掘進(jìn)施工工藝研究

孫 旭 李士忠 張榮秋

（山東泉興礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 滕州 277500）

在薄煤層巷道掘進(jìn)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(fèi)資源，煤炭回收率低，為減少資源浪費(fèi)，多回收煤炭，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益最大化，16112下材探索采取分放分運(yùn)留頂煤方式進(jìn)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?xùn)|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(shè)計(jì)長(zhǎng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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?jī)A角較大，中部煤層傾角較小，一般3～5°。根據(jù)相鄰16112中運(yùn)掘進(jìn)施工期間地質(zhì)資料分析，16112中運(yùn)掘進(jìn)期間共揭露一條落差為1.4m的正斷層，預(yù)計(jì)16112下材掘進(jìn)期間無大的地質(zhì)構(gòu)造，只是局部存在較小構(gòu)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(yùn)留頂煤施工方式

（1）施工方式：掘進(jìn)時(shí)，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(duì)留頂煤進(jìn)行補(bǔ)打錨桿支護(hù)，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(jìn)尺：掘矸施工期間，每班循環(huán)進(jìn)尺為1500mm，放頂板煤施工每班循環(huán)進(jìn)尺為5000mm。

3 分放分運(yùn)時(shí)的支護(hù)

3.1 留頂煤掘進(jìn)施工支護(hù)

（1）留頂煤掘進(jìn)施工時(shí)，采用錨桿支護(hù)，錨桿Ф16mm，長(zhǎng)度1600mm圓鋼錨桿配合鋼托盤進(jìn)行支護(hù)(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(zhǎng)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(zhǎng)度不少于450mm，錨桿外露長(zhǎng)度10～50mm，錨桿均使用配套標(biāo)準(zhǔn)螺母緊固，每根錨桿錨固力不小于50kN。

圖1 16112下材支護(hù)示意圖（單位：mm）

（2）留頂煤施工支護(hù)設(shè)計(jì)

按懸吊理論計(jì)算錨桿參數(shù)：

①錨桿長(zhǎng)度計(jì)算

L=KH+L1+L2

式中：

L-錨桿長(zhǎng)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(yàn)取0.391m（錨桿角度按80°計(jì)算）；

L2-錨桿在巷道中的外露長(zhǎng)度，一般取0.1m；

式中：

B-巷道開掘?qū)挾?，?.6m(取最大值)；

f—巖石堅(jiān)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(jì)算，通常間排距相等，取a：

式中：

a-錨桿間排距，m；

Q-錨桿設(shè)計(jì)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(hù)密度為：1/a2=1/1.82×1.82=0.3棵/m2

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

3.2 留頂煤掘進(jìn)與永久支護(hù)的銜接

（1）留頂煤施工時(shí)，掘矸放炮后及時(shí)施工錨桿支護(hù)，錨桿支護(hù)施工完畢，方可進(jìn)行扒矸。（施工錨桿支護(hù)時(shí)，迎頭最大空頂距離不超過1300mm，超過最大控頂距時(shí)應(yīng)使用臨時(shí)支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)使用直徑16cm圓木、木楔進(jìn)行支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)完畢后方可施工頂板錨桿支護(hù)，頂板錨桿施工后回撤臨時(shí)支護(hù)），施工錨桿支護(hù)應(yīng)及時(shí)跟到迎頭，嚴(yán)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(hù)突出部分鋸掉，鋸掉后對(duì)巷道兩幫進(jìn)行永久支護(hù)。

（3）巷道永久支護(hù)設(shè)計(jì)

16112下材正巷頂板為十下灰?guī)r，平均厚度5.16m，不進(jìn)行支護(hù)，兩幫采用Ф16mm，長(zhǎng)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(zhǎng)度不少于450mm，錨桿露出螺母長(zhǎng)度為10～50mm，錨桿均使用配套標(biāo)準(zhǔn)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(hù)方式設(shè)計(jì)。

按松動(dòng)圈理論計(jì)算錨桿參數(shù)：

①兩幫錨桿長(zhǎng)度計(jì)算

L=KH+L1+L2

式中：

L-錨桿長(zhǎng)度，m；

H-圍巖松動(dòng)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(yàn)取0.3m；

L2-錨桿在巷道中的外露長(zhǎng)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(jì)算，通常間排距相等，取a：

式中：

a-錨桿間排距，m；

Q-錨桿設(shè)計(jì)錨固力，50kN/根；

H-圍巖松動(dòng)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(hù)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(jiān)硬。根據(jù)圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論，圍巖松動(dòng)圈Lp是圍巖應(yīng)力Po和圍巖強(qiáng)度R的函數(shù)，即Lp=57.80×Po/Ra-51.56

式中：

Lp-圍巖松動(dòng)圈；

Po-圍巖應(yīng)力，灰?guī)r取2.4；

Ra-圍巖強(qiáng)度，灰?guī)r取100。

Lp=2.86＜40cm，屬小松動(dòng)圈。

表2 松動(dòng)圈圍巖分類表

松動(dòng)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(dòng)圈，圍巖整體性好，不易風(fēng)化，可不支護(hù)；巷道跨度在3～7m范圍內(nèi)，其他條件不變時(shí)，松動(dòng)圈值變化不明顯。

綜上所述，目前16112下材掘進(jìn)荒寬度2.6m的巖超煤巷道，頂板完全不需支護(hù)。為安全起見，當(dāng)巷道寬度大于3.6m時(shí)（施工硐室時(shí)巷道寬度達(dá)到3.6m），頂板補(bǔ)打一排錨桿（在2.5m處進(jìn)行補(bǔ)打，錨桿采用Ф16mm，長(zhǎng)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(jìn)行支護(hù)。

通過以上計(jì)算，兩幫選用Φ16mm、長(zhǎng)度1000mm的圓鋼錨桿，完全滿足安全支護(hù)要求。當(dāng)遇斷層及地質(zhì)構(gòu)造帶幫部圍巖松軟破碎時(shí)，圍巖穩(wěn)定性較差，應(yīng)及時(shí)縮小間排距或選用Φ16mm、長(zhǎng)度1600mm的圓鋼錨桿；若頂板破碎出現(xiàn)裂隙時(shí)應(yīng)進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)（選用鋼網(wǎng)規(guī)格為1400mm×1100mm及Φ16mm、長(zhǎng)度1600mm的圓鋼錨桿），加強(qiáng)支護(hù)密度。

4 安全注意事項(xiàng)

（1）掘進(jìn)矸石打眼時(shí)，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(shí)，必須由外向里進(jìn)行，嚴(yán)禁由里向外施工。放頂煤后，及時(shí)截割處理頂板錨桿，若頂板破碎或出現(xiàn)裂隙時(shí)及時(shí)補(bǔ)打錨網(wǎng)支護(hù)，或架設(shè)工字鋼棚支護(hù)。

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

5 效益

留頂煤掘進(jìn)分放分運(yùn)，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(chǎng)銷售價(jià)格600元/t計(jì)算，每米巷道可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益1297.92元；按照巷道總長(zhǎng)度（448m）計(jì)算可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益58.15萬元。