中厚煤層無煤柱開采回采巷道支護技術研究與應用

＊裴繼鵬

（煤炭工業(yè)太原設計研究院集團有限公司 山西 030001）

1.研究無煤柱開采回采巷道支護意義

長期以來，煤炭資源一直是我國的主要能源供應來源，在我國經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮了重要的支持作用。在未來相當一段時期內(nèi)，煤炭將繼續(xù)在我國的一次能源消費中占主導地位。到2060年，我國至少有一半的能源消耗將來自煤炭。煤炭生產(chǎn)也集中在大型煤炭基地，占煤炭產(chǎn)量的90%以上。內(nèi)蒙古、新疆、陜西和山西四個省（區(qū)）的煤炭資源總量約占全國煤炭資源總量的80%，其中大部分來中厚煤層。煤層的開采巷道大都布置在雙巷，巷道之間有8-25m的保護性煤柱，但這些保護性煤柱無法回收，這是造成煤炭資源流失的主要原因。同樣，保護煤極將導致承受更大的壓力，這是造成某些災難的主要原因。因此，迫切需要促進無柱開采和研究，創(chuàng)新無柱開采技術，以提高生產(chǎn)率和回收率，實現(xiàn)煤炭工業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

2.沿空巷道支護技術的優(yōu)勢

沿空巷道技術的實際使用中，空窄煤柱支護技術與普通礦支護技術相比具有獨特的特點。在支持過程中，有必要詳盡參考技術的特征。實際應用的具體特征如下：如果工作面碳極的狹窄路徑降低了支撐壓力的區(qū)域，則施工人員在掘進施工過程中會受到不同壓力和總體支撐壓力的影響。在此過程中，工作面路徑逐漸開挖，承載難度將逐漸增加。如果狹窄的煤柱沒有被完全破壞，則煤柱的內(nèi)部密封性仍然相對較好。在開挖巷道的整個過程中都會發(fā)生相應的應力變化。在拆除工作面的過程中，巷道周圍巖石的壓力會發(fā)生很大變化，這時巷道變形非常明顯，并會產(chǎn)生相應的破壞力。在上部破裂的情況下，煤柱也將被破壞，并且整個巷頂將變形。

3.無煤柱沿空巷道支護技術

參照對我國無煤柱巷道推進的研究，發(fā)現(xiàn)沿空巷道無煤柱的巷道具有明顯的獨特的圍巖變形特征。尤其是采掘巷道與其他類型的圍巖相比。沿空巷道無煤柱距離提前90m，明顯變形應提前35m。與采礦期間巷道周圍巖石的影響相比，前者是后者的5-10倍，后者遠高于實心煤巷的比例。由于多次開采的影響，巷道周圍的巖石變形，剛性支撐更加困難。在巷道施工過程中，沒有煤的柱巷道受多種開采活動的影響，圍巖過于疏松，應力分布極為不均勻，變形量很大。支護和維修困難，修復率高。此工作面上沿采空區(qū)延伸的巷道屬于周圍的特殊巖石，應力復雜，應變分布不均勻，受開采影響更嚴重，變形也相對較大。不能使用被動支撐方法，例如金屬型鋼棚，梯形棚子和木棚支撐。這種支撐方法抗變形能力差，使無煤柱的工作面的變形修復率很高。如果用錨網(wǎng)索支護，選擇的參數(shù)不符合地下壓力分布規(guī)律巷道上沒有煤柱的巷道的變形和變形特性，無法滿足支撐要求。

因此，為了滿足預期的支護要求，必須更新這種特殊的無煤柱巷道支護技術：采用高強度螺栓支護，加固巷道周圍的巖石，加強錨固平衡。在施工過程中，由于頂板在開挖之前屬于塑性變形區(qū)域，因此頂板應力被破壞，沿空側幫也變破碎。對巖體的水平和縱向約束，使得圍巖的雙向力三向力可用于控制節(jié)理面的相對位移，增加摩擦力并改善不良的地表特性。圍巖確保錨固力達到最大強度，并為圍巖提供最大的支撐。使用預緊力使錨桿錨固范圍內(nèi)的煤和巖體形成錨固平衡狀態(tài)，該狀態(tài)可以適當變形，從而改善了圍巖的整體穩(wěn)定性；懸臂理論：沿空巷道的沿空巷道側是自由端和落矸，另外一段不會產(chǎn)生橫向縱向的位移，是可以轉動，符合懸臂梁理論，為了保證懸結構有足夠強度，必須保證頂梁是完整的，具備足夠強的強度，支撐上梁的完整和上覆的巖石層。成為可以特定壓縮變形的更穩(wěn)定的頂梁支撐[1]。

4.巷道破碎兩幫錨固支護方法

巷道支護加固處理一般是考慮以前的施工經(jīng)驗，錨固支護參數(shù)的處理也應參考以前的經(jīng)驗，對于圍巖的破碎處，不需要全部維護。為了創(chuàng)建一種能夠支撐重量的更穩(wěn)定的錨固方法，必須使用兩個錨固網(wǎng)來加強技術控制。根據(jù)一定的關系設計高度和厚度，根據(jù)載荷設計錨固件的參數(shù)和形狀。為了保證錨固結構能有效適應高變形路面，必須根據(jù)幾個綜合因素設計錨固的強度，螺栓長度和螺栓間距，以免因錨固結構造成的誤差。它可以在不承受兩側壓力的情況下影響并改善一般的錨固結構。還有一種是在兩幫錨桿支撐的方法。可以先將兩幫破碎面進行錨固厚度與高度之比大于1:5，然后根據(jù)錨固體的形狀承載能力要求確定與錨相關的其他參數(shù)[2]。

5.中厚煤層無煤柱開采回采巷道支護技術應用

工程概況，62711高瓦斯礦井工作面是某2#煤礦區(qū)的第一個礦山開采工作面，工作面埋在435-687m的深度。2#煤層直接頂板為細粒砂巖，厚度為4.30-5.44m，平均厚度為5.42m。老頂由砂質頁巖制成，平均厚度為2.52m；直接底是砂質泥巖，平均厚度為1.80m，老底碳頁巖為2.13m厚度?；夭勺呦虻拈L度為1765m，切眼的長度為216m。采用了綜合的長壁回采機械化采煤方法，整個頂板采用放頂法進行管理。62711工作面的設計如圖1所示。

圖1

(1)改進對具有恒定阻力和高變形的錨索的支撐

為了更好地支撐62711線路板，使用了具有恒定阻力和高變形的錨索。恒阻變形的錨索垂直于天花板方向排列，共有3排。第一排，第二排和第三排高變形固定強度錨索，距巷道的右側分別為400mm，1400mm和3100mm。第一排固定強度錨索的相鄰錨索通過鋼帶W連接（鋼帶W平行于巷道）。大變形恒強錨索的直徑為21.6mm，長度為8300mm，恒強為500mm，直徑為79mm，恒強值為33±2t，預緊力不小于28t。

(2)頂板預裂切縫參數(shù)設計

根據(jù)巖石碎脹特性，通常對采空區(qū)側巷道頂板進行預裂切縫爆破，使得爆破切落的巖石對頂板形成一定程度的支撐，從而實現(xiàn)改善留巷應力環(huán)境的目的。基于類似礦井施工經(jīng)驗，并結合62711工作面實際工程地質條件，將切頂炮孔長度設計為6000mm，切頂高度為5800mm，切線與水平方向夾角為76°，炮孔間距為500mm。

此外，巷道頂板預裂爆破采用了雙向聚能破裂技術。雙向能量管的外徑為41mm，內(nèi)徑為36.6mm，管的長度為1500mm?；趯ΜF(xiàn)場各種裝藥的多次觀察，最終確定連續(xù)的4孔爆破，4孔裝藥和每組5孔，其中一孔進行觀測。每個孔均裝有3個聚能管，采用3+3+1放藥方式，封孔的長度為2m。

(3)留巷段支護及擋矸設計

為了有效減少采空區(qū)62711的側頂板由于格狀頂板的壓縮和摩擦變形而產(chǎn)生的影響，在62711工作面前進之后，采空區(qū)巷道的頂板在工作面后方100m處“一梁三柱”。方法是對巷頂主動支撐，并且在同一行中三個獨立列的切線。它們到直線的距離分別為200mm、900mm和1900mm。鋼網(wǎng)和工字鋼被放置在喙側的各個支柱之間，以防止抓鉤槽口沿采空區(qū)進入。一旦工作面后面的路段中的壓力穩(wěn)定，單根柱將隨著時間的推移而縮回。

(4)應用效果

為了了解無煤柱采煤技術對開采62711工作面上的頂板壓力的影響，對距離62711工作面進行215m的巷道圍巖的變形進行了監(jiān)測。在留巷的215m內(nèi)，巷頂和巷道底部的相對進近的最大值為365.12mm。兩側的相對距離為462.14mm。巷道周圍巖石的變形在允許范圍內(nèi)，整體穩(wěn)定性高，可以滿足下一個工作面返回時的再利用要求。

在巷道的整個使用期間，巷道周圍巖石的變形具有明顯的分區(qū)特征；在巷道的等待期間，變形在工作面后20-71m之間是嚴重的。在再利用期間，它類似于受軸承應力增加影響的正常巷道，并且礦山壓力在工作面前方20m處顯得很嚴重。帶鋼中使用工字梁和點錨電纜進行支撐。工字梁的變形表明工字梁的變形主要受水平推力的影響，并且變形在所需的變形范圍內(nèi)。錨索的平均阻力約為16t。通過現(xiàn)場應用，巷道支撐體沒有變形，表明受力合理。

6.結束語

總而言之，在煤礦開采過程中，必須通過錨桿、網(wǎng)、梁和錨索的組合支撐來支撐沿采空區(qū)沿路掘進煤的工作面。沿軸進行檢查以確定巷道的安全性。此技術支護效果穩(wěn)定，節(jié)省使用成本，提高開采速度，降低工程施工的難度，對實現(xiàn)整個煤礦生產(chǎn)的經(jīng)濟效益有重要意義。此外，實際施工中還應注意水的治理，瓦斯的防治，提高采煤的整體效率，并采用相應的加固技術在不同地質條件下進行支護，以確保工作安全。