大采高綜采工作面小煤柱鄰巷護(hù)巷技術(shù)研究

何桂春

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉華宮礦，山西 大同 037000)

隨著我國中部地區(qū)煤炭資源逐漸枯竭，礦井煤炭資源儲(chǔ)量不斷減少，為了保證煤礦的服務(wù)年限和可持續(xù)發(fā)展，提高煤炭資源回收利用率就具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在這種情況下，工作面面間煤柱的留設(shè)寬度直接影響著煤炭資源的回收利用率[1-2]。隨著煤炭開采技術(shù)的逐步發(fā)展和采煤機(jī)械的不斷進(jìn)步，小煤柱逐漸在綜采工作面得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。而大采高工作面小煤柱鄰巷在回采期間巷道圍巖變形相較一般綜采工作面更加嚴(yán)重，巷道維護(hù)困難，煤柱穩(wěn)定性較差[5-6]。因此，對于大采高工作面小煤柱鄰巷支護(hù)技術(shù)的研究就顯得越來越重要。

針對上述問題，本文以晉華宮礦12號煤層301擴(kuò)區(qū)8103工作面5103巷為工程背景，研究大采高綜采工作面回采過程中小煤柱鄰巷護(hù)巷技術(shù)，為解決大采高綜采工作面小煤柱留設(shè)和鄰巷圍巖變形控制問題提供經(jīng)驗(yàn)借鑒和價(jià)值參考。

1 工程地質(zhì)概況

晉華宮礦12號煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，屬侏羅紀(jì)中統(tǒng)大同組含煤地層，煤層傾角1～7°/4°，煤層厚度5.5～7.5/6.81 m。直接頂為灰色細(xì)砂巖及砂質(zhì)頁巖互層，厚度約為4.1 m，基本頂為灰白粗中砂巖，厚度約9.7 m，屬堅(jiān)硬頂板，基本頂不易垮落。301擴(kuò)區(qū)布置3個(gè)大采高工作面，分別為8101、8103、8105工作面，相鄰工作面間留設(shè)6 m小煤柱，其中8101工作面回采時(shí)，5103巷進(jìn)行掘進(jìn)，存在采掘交鋒現(xiàn)象，這對于5103巷掘進(jìn)期間護(hù)巷技術(shù)是一個(gè)重要的考驗(yàn)。5103巷具體情況如圖1所示。

圖1 12號煤層301擴(kuò)區(qū)5103巷平面布置圖

2 大采高綜采工作面小煤柱鄰巷圍巖變形特征

5103巷道斷面規(guī)格為寬×高=4.5 m×3.8 m，原有支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，見圖2。頂板原支護(hù)為4根錨桿+2根錨索，錨桿規(guī)格為：D=20 mm，L=2.0 m，錨桿間排距為1.0 m×1.0 m，配套L=3.5 m的W型鋼帶；錨索規(guī)格為：D=21.8 mm，L=6.0 m，間排距為1.7 m×2.0 m，護(hù)幫原支護(hù)采用1根角錨桿+2根幫錨桿，角錨桿規(guī)格為：D=18 mm，L=2.0 m，間排距為0.15 m×1.2 m，配套L=0.45 m的W型鋼帶；幫錨桿規(guī)格為：D=18 mm，L=1.8 m，間排距為1.3 m×1.2 m，配套L=0.45 m的W型鋼帶。

圖2 5103巷原有支護(hù)圖(mm)

8101綜采工作面回采期間，5103巷正常掘進(jìn)，因此，存在8101工作面與5103巷采掘交鋒現(xiàn)象。5103巷受8101工作面采動(dòng)影響，巷道出現(xiàn)頂板裂隙、底鼓、炸幫等圍巖變形，巷道斷面縮小、閉合，小煤柱失效等現(xiàn)象，因此，對于8101工作面回采過程中5103巷護(hù)巷技術(shù)的研究是十分必要的。

3 5103巷護(hù)巷技術(shù)研究

3.1 5103巷護(hù)巷技術(shù)理論分析

大同礦區(qū)煤層頂板屬堅(jiān)硬頂板，當(dāng)工作面采高較大時(shí)，根據(jù)懸臂梁理論，采空區(qū)垮落帶高度較大，頂板無法形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，取而代之會(huì)形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)。8101工作面回采后，上覆直接頂發(fā)生變形垮落，8101工作面與2101巷煤柱幫失去力學(xué)關(guān)系，但基本頂在采空區(qū)上方形成較大的懸板，且對其上覆數(shù)個(gè)軟弱巖層形成支撐作用，呈現(xiàn)“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，對6 m小煤柱及5103巷產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，造成面間小煤柱變形和破壞、5103巷道圍巖嚴(yán)重變形。煤層直接頂“懸臂梁”結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采空區(qū)頂板“懸臂梁”結(jié)構(gòu)圖

通過上述對工作面頂板結(jié)構(gòu)的分析，要解決大采高綜采工作面回采過程中小煤柱鄰巷掘進(jìn)巷道圍巖變形問題，就是要切斷煤層上覆直接頂?shù)拈L“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，減小堅(jiān)硬頂板對6 m小煤柱及鄰巷圍巖的壓力，再在鄰巷原有支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，增強(qiáng)小煤柱穩(wěn)定性，控制巷道圍巖變形。具體來說，就是針對8101大采高綜采工作面回采過程中的5103巷圍巖變形控制和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)問題，采用以“切頂卸壓、恒阻大變形錨索和普通錨索聯(lián)合支護(hù)”為主的護(hù)巷方案，在2101巷煤柱幫實(shí)施爆破預(yù)裂切頂卸壓，在一定范圍內(nèi)將8101工作面頂板與6 m小煤柱和5103巷頂板分開，減弱和切斷采場上覆頂板應(yīng)力傳遞，減小采場基本頂側(cè)向懸板的長度，使得采場覆巖斷裂線向采空區(qū)邊界轉(zhuǎn)移；同時(shí)利用恒阻大變形錨索和普通錨索進(jìn)行5103巷道掘進(jìn)過程中的頂板、巷幫聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，控制5103巷頂幫圍巖變形，使6 m小煤柱能夠最大限度地發(fā)揮自身承載作用，減少5103巷道變形，保證巷道正常掘進(jìn)和8101工作面安全回采。

3.2 2101巷爆破預(yù)裂切頂卸壓

在2101巷煤柱幫進(jìn)行爆破預(yù)裂切頂卸壓，爆破預(yù)裂切縫深度為煤層直接頂和基本頂?shù)母叨戎停瑫r(shí)，為盡可能地減小切頂后巷道懸臂梁的長度，切縫應(yīng)靠煤柱側(cè)布設(shè)，同時(shí)為使得切縫頂板更容易垮落，切縫采取豎直切縫設(shè)計(jì)。因此，2101巷爆破預(yù)裂切頂長度為640 m，切縫深度為12 m，切縫線距煤柱側(cè)幫部500 mm，切縫角度0°，具體如圖4所示：

圖4 2101巷爆破預(yù)裂切頂示意(mm)

3.3 5103巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

在2101巷煤柱側(cè)施工爆破預(yù)裂切頂卸壓的同時(shí)，5103巷頂幫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，主要方案為“恒阻大變形錨索+普通錨索”聯(lián)合支護(hù)，具體情況如圖5所示。其中，頂板施工恒阻錨索規(guī)格為：D=21.8 mm，L=8.0 m，3-2-3布置方式，錨索間距分別為1.2 m及1.7 m，排距為2.0 m；恒阻器長500 mm，外徑79 mm，最大允許變形量350 mm，恒阻值為30±2 t，預(yù)緊力不小于25 t，托盤規(guī)格250 mm×250 mm×16 mm，中間擴(kuò)孔直徑100 mm±1 mm。

巷道兩幫施工2排D=17.8 mm的普通錨索，錨索間排距為1.3 m×2.4 m。其中上排列錨索L=6.0 m，距頂板0.7 m，與水平夾角呈30°，使得錨索錨固端位于頂板之中；下排錨索L=4.0 m，距頂板2.0 m，與巷幫呈90°。

圖5 5103巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面圖(mm)

4 實(shí)際工程效果

通過在2101巷進(jìn)行爆破預(yù)裂切頂卸壓和5103巷采用恒阻大變形錨索和普通錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，在8101綜采工作面與5103掘進(jìn)巷交鋒期間，觀測發(fā)現(xiàn)5103巷沒有出現(xiàn)大的煤柱幫位移、破碎和頂板下沉等現(xiàn)象，巷道只出現(xiàn)了輕微底鼓，幫內(nèi)壓力變化不大，說明大采高綜采工作面小煤柱鄰巷護(hù)巷技術(shù)很好地解決了大采高綜采工作面鄰巷開掘難、保護(hù)難的問題。5103巷與8101大采高工作面采掘交鋒后的情況如圖6所示，2101巷爆破預(yù)裂切頂效果如圖7所示。

圖6 采掘交鋒后5103巷道圖

圖7 2101巷預(yù)裂切頂爆破效果圖

5 結(jié) 語

本文針對晉華宮礦12號層301擴(kuò)區(qū)小煤柱鄰巷圍巖變形控制問題進(jìn)行分析，在巷道原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，提出了“切頂卸壓+恒阻大變形錨索和普通錨索聯(lián)合支護(hù)”護(hù)巷技術(shù)。通過在2101巷煤柱側(cè)施工爆破預(yù)裂切頂卸壓阻止采空區(qū)頂板長懸臂梁的產(chǎn)生，阻止采空區(qū)頂板應(yīng)力傳遞，降低5103巷道掘進(jìn)過程中頂板壓力；采用恒阻大變形錨索和普通錨索聯(lián)合支護(hù)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)加固巷道頂幫，減小巷道圍巖變形破壞。最后對5103巷采掘交鋒時(shí)頂?shù)装逦灰频膶?shí)際觀測表明，該護(hù)巷技術(shù)對于大采高綜采工作面小煤柱鄰巷圍巖變形控制效果良好，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。