曙光煤礦沿空成巷無煤柱開采技術(shù)應用研究

任 建 忠

（山西汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司曙光煤礦 ，山西 孝義 032300）

1 工程概況

山西汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司曙光煤礦主要位于山西省中部孝義市，局部區(qū)域位于晉中介休市和靈石縣境內(nèi)，井田構(gòu)造復雜程度為簡單類。曙光煤礦主采2、3 號煤層，地下開采方式，生產(chǎn)規(guī)模90 萬t/a，上組煤（2、3 號煤層）共劃分為四個采區(qū)（詳見圖2- 2），首采區(qū)為井底車場附近的一采區(qū)，采區(qū)接替順序為一采區(qū)→二采區(qū)→三采區(qū)→四采區(qū)，未來五年規(guī)劃開采范圍主要分布在一采區(qū)。一采區(qū)準備巷道和回采巷道均沿煤層底板掘進，巷道采用矩形斷面，巷道高度等于煤層厚度。1226 綜采工作面可采走向長度1562m，傾向長度180.5m，實體長176 m。1226 工作面所采煤層屬于二疊系下統(tǒng)山西組2# 煤，煤層厚度平均為2.85m，工作面沿頂?shù)装甯蠲海坏昧繇數(shù)酌?。礦井現(xiàn)階段面臨巷道斷面大，掘巷速度慢，掘進成本較高，致使接替緊張，急需采用切頂卸壓自成巷新技術(shù)及其配套工藝來實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。本次研究以2#煤層1226 工作面回采為背景，1226 運輸巷留巷長度為1562m，沿空成巷無煤柱開采施工位置示意圖如圖1 所示。

圖1 1226 工作面采掘工程平面圖

2 原巷道支護形式

曙光煤礦1226 運輸巷掘巷期間采用“錨網(wǎng)索梁”聯(lián)合支護方式，頂板支護：頂板錨桿規(guī)格為Φ20×2400mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間、排距為850×1000mm，每排6 根，頂錨桿間通過4500mm 的鋼筋托梁聯(lián)結(jié)，鋼筋托梁采用Φ16mm 的圓鋼焊接，兩側(cè)頂角處的錨桿與水平線成75°角，中間四根錨桿垂直頂板，呈矩形布置，頂錨桿錨固劑采用MSK2355、MSZ2355 各一卷；裝錨固劑時先裝MSK2355 一卷，再裝MSZ2355 一卷。頂板錨索布置在兩排錨桿中間，第一排在距巷道中間1000mm 的左右兩側(cè)位置各打設一根點錨索，錨索間2000mm；第二排在巷道正中打設一根錨索，兩排依次循環(huán)。錨索采用φ21.6×6500mm 的鋼絞線及配套的錨具，錨索錨固劑采用MSK2355、MSK2355、MSZ2355 各一卷；裝錨固劑時先裝MSK2355 一卷，再裝MSK2355 一卷, 最后裝MSZ2355 一卷，頂錨索全部配合規(guī)格為300×300×12mm 的四方鐵板進行支護。兩幫支護：左、右兩幫每排各支設四根規(guī)格為Φ20×2400mm 的左旋螺紋鋼錨桿，上部三根幫錨桿配合規(guī)格為L=1900mm 的鋼筋鋼帶進行支護，鋼筋鋼帶采用Φ14mm 的圓鋼焊接而成，錨桿呈矩形垂直巷幫；下部一根幫錨桿配合400×280mm 的W 鋼帶進行支護，W 鋼帶橫向布置，錨桿與巷幫成75°角向下打設，幫錨桿間、排距為850×1000mm。巷道右?guī)?# 煤與夾矸分界處打設一根點錨索，錨索與巷道右?guī)统?5°角，錨索的排距為2m，錨索采用φ21.6×6500mm 的鋼絞線配合300×300×12mm 的四方鐵板進行支護。頂幫金屬網(wǎng)采用1100mm×2800mm 和1100mm×5000mm 的菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)與網(wǎng)之間搭接100mm，每150mm 聯(lián)一道聯(lián)網(wǎng)絲，三花型布置，聯(lián)網(wǎng)絲采用16# 鉛絲。1226 運輸巷永久支護詳情如圖2 所示。

圖2 運輸巷原支護斷面圖

3 沿空成巷切頂方案設計

本次研究設計在1226 運輸巷采用以“切頂卸壓+ 恒阻大變形錨索支護”為主體的設計方案，通過預裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，減弱巷道頂板壓力，且預裂爆破能夠很好地保護巷道頂板完整性[1]。利用恒阻大變形錨索進行補強加固，減小巷道頂板的下沉量，提高留巷期間巷道圍巖自身的穩(wěn)定性，減少巷道變形，保證留巷效果。根據(jù)上述思路，結(jié)合以往工程經(jīng)驗和礦方意見[2]，提出了以下設計方案。

3.1 頂板預裂切縫設計方案

為保證留巷效果，在1226 工作面運輸巷道靠近回采側(cè)范圍內(nèi)進行切頂爆破，采用雙向聚能爆破預裂技術(shù)，使巷道頂板沿其軸向方向形成一個連貫的裂縫，頂板整體切落形成巷幫，參考類似地質(zhì)條件下切頂留巷成功的案例，合理預裂切縫深度應不小于2.6倍采高，即H縫≥2.6 H煤，本次煤層平均厚度2.85m，計算得H縫=7.41m；預裂切縫鉆孔深度一般通過如下方式確定[3～4]：

H縫=（H煤- ΔH1- ΔH2）/（K- 1）

式中：ΔH1為頂板下沉量，單位：m；ΔH2為底臌量，單位：m；K 為碎脹系數(shù)，1.3～1.4。

根據(jù)1226 運輸巷頂板巖性，K=1.3，頂板下沉量取0.15m，底板底鼓量取0.10m，在不考慮底臌及頂板下沉的情況下，工作面采高H 煤為2.85m 時，計算得H縫=8.7m。綜合考慮上述計算結(jié)果，預裂切縫孔深度基準線設計為H縫=9.0m。依據(jù)所繪制1226 工作面運輸巷側(cè)煤層及上覆巖層分布圖，根據(jù)確定的切縫孔基準線結(jié)合巷道頂板巖性分布對1226 工作面進行留巷工程區(qū)劃設計，最終設計1226 運輸巷切縫孔距巷道回采側(cè)幫150mm，切縫面與鉛垂線夾角為15°，切縫孔間距初步設計為600mm，切縫高度為10.0m，施工時至少超前工作面50m，具體見圖3 所示。

圖3 1226 運輸巷留巷支護示意圖

3.2 恒阻大變形錨索設計方案

為了保證工作面回采期間切頂成巷過程中及周期來壓期間1226 運輸巷圍巖的穩(wěn)定性，進行預裂切頂前采用恒阻大變形錨索對頂板進行加固。為使錨索懸吊在上覆堅硬巖層，確保錨索的錨固力，需設計錨索的長度不小于 H縫+2.0m+ 外露長度（0.3m），考慮到頂板巖層分布、巷道原有支護參數(shù)情況，恒阻錨索設計長度為12.3m，施工時至少超前工作面100m，具體根據(jù)礦壓顯現(xiàn)情況調(diào)整。1226 工作面運輸和材料巷共布設2 列恒阻大變形錨索，第一列恒阻錨索距切縫鉆孔 400mm ( 距回采側(cè)煤幫 550mm）， 排距1000mm；第二列中線偏實體煤側(cè)200mm，排距2000mm。恒阻錨索相鄰錨索之間用3mm×280mmW鋼帶連接（平行于巷道走向），恒阻錨索支護圖如圖3所示，恒阻大變形錨索直徑取為21.8mm，恒阻器長450mm，直徑85mm，恒阻值為32t，預緊力不小于25t。1226 運輸巷切縫鉆孔布置及加強支護詳情如圖

4 所示。

圖4 1226 運輸巷切縫鉆孔布置及加強支護展開圖

4 應用效果監(jiān)測

4.1 恒阻錨索載荷監(jiān)測

恒阻錨索載荷的監(jiān)測是通過錨索測力計，每個測點布置4 個測力計，靠近回采幫和靠近實體煤幫各監(jiān)測兩根錨索，取兩個讀數(shù)的平均值，靠近回采幫的為1# 錨索，具體的監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示，工作面推進至測點處時，恒阻錨索受力基本等于其預緊力250kN，工作面推過測點后，恒阻錨索的受力逐漸增大，平最終達到平衡，靠近實體煤壁側(cè)的恒阻錨索載荷為311kN，靠近回采側(cè)的錨索載荷略大于煤壁側(cè)，載荷為315kN，錨索的載荷在回采工作面后方一定范圍內(nèi)平穩(wěn)增加最終趨于穩(wěn)定，且均為超過錨索的破斷極限（360kN），由此可知，恒阻大變形錨索工作面狀態(tài)良好，對巷道圍巖穩(wěn)定的控制起到了重要作用。

圖5 巷道圍巖表面位移觀測結(jié)果圖

4.2 巷道表面位移量監(jiān)測

為考察1226 運輸巷無煤柱沿空留巷的效果，留巷圍巖穩(wěn)定后，通過實地測量考察其斷面收斂情況，整理得到圖6 所示的結(jié)果，距切眼0～300mm 范圍內(nèi)，巷道斷面收斂量很小，平均約為0.65m2，留巷效果非常好，距切眼300～8000m 范圍內(nèi)，巷道斷面收斂量平均約為2.0m2，巷道表面位移量仍控制在合理的范圍內(nèi)，經(jīng)過簡單的修復即可使用，綜上可知，切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術(shù)在1226 運輸巷應用效果良好。

圖6 巷道變形情況監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論和建議

為解決曙光煤礦礦井采掘接替緊張的難題，提高工作面采出率、巷道利用率，設計在1226 工作面應用切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術(shù)，依據(jù)其詳細的地質(zhì)條件進行理論分析、數(shù)值計算，設計采用“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護”為主的留巷工藝，現(xiàn)場應用及監(jiān)測結(jié)果表明，留巷效果良好，填補了汾西礦業(yè)集團切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術(shù)空白，本次研究成果可作為汾西礦業(yè)集團類似條件下采用切頂卸壓自成巷技術(shù)借鑒，其推廣意義深遠。