中厚煤層復(fù)合頂板切頂卸壓無煤柱自成巷開采方法實踐

辛巨星

（山西梅園工貿(mào)集團有限公司，山西 太原 030000）

1 工程概況

1.1 工作面條件

梗陽實業(yè)集團麥地掌煤礦21206 工作面開采2#煤層，煤層厚度1.1～2.5 m，平均煤厚1.87 m，煤層傾角0°～16°，平均7°。煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部含1 層夾矸，屬全井田穩(wěn)定的可采煤層。2#煤層具有自燃傾向性，自燃傾向等級為Ⅱ級，煤塵具有爆炸性。

21206 工作面回風(fēng)順槽東至北翼回風(fēng)大巷1，西部鄰近F66 斷層，北部為設(shè)計21206 工作面運輸順槽，鄰近21208 工作面原21208 回風(fēng)順槽配風(fēng)巷，南部為設(shè)計21206 工作面回風(fēng)順槽。21206 工作面運輸順槽1568 m，21206 工作面切眼186 m，21206回風(fēng)順槽1950 m。工作面沿煤層頂板進行回采，留底煤，平面布置如圖1。

圖1 21206 工作面平面布置圖

1.2 巷道頂?shù)装鍡l件

結(jié)合21206 工作面巖性綜合柱狀圖可知，煤層上覆巖層依次為8 m 的細砂巖、2.3 m 的黑灰色泥巖，底板巖層依次為0.2 m 的碳質(zhì)泥巖和1.5 m 的細砂巖。工作面巖性綜合柱狀圖如圖2。

1.3 支護形式及支護參數(shù)設(shè)計

21206 工作面回風(fēng)順槽采用錨網(wǎng)索+鋼帶+鋼筋梯聯(lián)合支護形式[1-2]。

（1）頂部錨桿。錨桿采用Φ21.8 mm×2400 mm 無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿（配套托盤），托盤采用方形帶拱托盤，配套1010 尼龍墊圈，托盤尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，每根錨桿使用1 卷MSK2360 樹脂藥卷和1 卷MSZ2360 樹脂藥卷，錨桿間排距700 mm×800 mm，單根錨桿錨固力不小于100 kN。

（2）幫部錨桿。頂部錨桿配合H 型鋼帶使用，H 型鋼帶采用圓鋼焊制，圓鋼直徑不小于12 mm，鋼帶長度4400 mm，寬度80 mm，孔間距為700 mm。網(wǎng)片采用Φ6 mm 的鋼筋制作，規(guī)格為1000 mm×2000 mm，網(wǎng)格100 mm×100 mm，并用 14#鐵絲雙股綁扎，綁扎間距不大于200 mm。

（3）錨索。頂板錨索采用Φ21.8 mm×6800 mm 和Φ21.8 mm×9000 mm 錨索交替布置，錨索打設(shè)于兩排錨桿中間，錨索采用300 mm×300 mm×20 mm 方形帶拱錨索托盤，配套調(diào)心球墊；錨索按“四三”布置，錨索間距1400 mm，排距3200 mm，每根錨索使用1 卷MSK2360 樹脂藥卷和3 卷MSZ2360 樹脂藥卷，單根錨索預(yù)緊力不小于300 kN；錨索配合W 鋼帶使用，W 型鋼帶型號為 WX280/3.0，長度為4400 mm，孔間距為700 mm，兩端部孔心距端部的距離為 100 mm。

（4）金屬網(wǎng)。網(wǎng)片全部采用Φ6 mm 的鋼筋制作，規(guī)格為1000 mm×2000 mm，網(wǎng)格100 mm×100 mm，并用14#鐵絲雙股綁扎，綁扎間距不大于100 mm。

2 原巷道布置方式存在的問題

麥地掌煤礦以往的預(yù)留區(qū)段煤柱走向長壁式綜采一次采全高采煤工藝存在著諸多的問題：

（1）常規(guī)支護材料不具備“大變形”特性，容易引發(fā)巷道變形破壞。傳統(tǒng)錨網(wǎng)索支護在頂板變形過程中無法達到同步變形，容易導(dǎo)致剛性支護材料的斷裂失效，同時由于頂板變形能量不能被充分釋放，將引發(fā)應(yīng)力集中并導(dǎo)致巷道變形失穩(wěn)，回采巷道多次擴巷翻修，影響正常生產(chǎn)。

（2）多掘一條巷道導(dǎo)致掘巷成本提高。采用傳統(tǒng)留設(shè)煤柱方式開采時，需要多掘出一條巷道，以掘巷成本9000 元/m 計算，按照回風(fēng)順槽長度1950 m 計算，掘進費用約為1755 萬元。

（3）留設(shè)煤柱造成了資源浪費。按照大巷保護煤柱寬度為30 m，以走向長度1710 m、煤層厚度1.87 m 為例，單個工作面浪費的煤炭資源約為13.43 萬t，約10 744 萬元。

3 切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)方案的設(shè)計

針對21206 工作面回風(fēng)順槽及切眼的實際情況，設(shè)計采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護”無煤柱自成巷技術(shù)方案。通過預(yù)裂切縫爆破，切斷巷道頂板應(yīng)力傳遞，在減弱頂板壓力的基礎(chǔ)上可保護頂板完整性；采用恒阻大變形錨索支護進行補強加固，控制頂板下沉和圍巖變形量，保證留巷效果。

3.1 頂板預(yù)裂切縫設(shè)計方案

頂板預(yù)裂切縫主要采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，該爆破技術(shù)在實現(xiàn)預(yù)裂目標(biāo)的同時可以最大可能保護巷道頂板的完整。

合理預(yù)裂切縫鉆孔深度H縫一般設(shè)計為2.6 倍采高，即H縫≥2.6H煤；同時H縫與頂板下沉量、底鼓量等有關(guān)，經(jīng)計算并結(jié)合21206 回風(fēng)順槽的頂板巖性，設(shè)計確定H縫為7.0～8.0 m。

切縫鉆孔布置在距回采側(cè)巷幫100～200 mm 位置處，與鉛垂線成20°夾角，切縫孔間距500 mm。

3.2 恒阻大變形錨索設(shè)計方案

在對21206 回風(fēng)順槽及切眼進行預(yù)裂切頂前，設(shè)計應(yīng)用恒阻大變形錨索進行補強加固。恒阻大變形錨索支護設(shè)計斷面如圖3。

圖3 恒阻大變形錨索支護斷面示意圖（mm）

在支護設(shè)計中，恒阻大變形錨索直徑21.8 mm，長度9000～10 000 mm；恒阻器長（450±10）mm，外徑（73±2）mm，最大允許變形量350 mm，恒阻值（33±2）t，預(yù)緊力不小于25 t。

第一列恒阻大變形錨索沿巷道走向用槽鋼連接，第二、三列恒阻大變形錨索垂直于巷道走向用槽鋼連接。托盤規(guī)格300 mm×300 mm×16 mm （厚度不小于16 mm），中間擴孔直徑（100±1）mm。

留巷段絞車、材料、注漿、水硐室等，在回采前退錨處理，硐室口及前后5 m 范圍內(nèi)進行頂板加強支護。

3.3 巷道臨時支護設(shè)計方案

在21206 回風(fēng)順槽及切眼推進過程中，不同位置受到采動影響不同?；诂F(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將21206 回風(fēng)順槽及切眼按位置距離分為三個區(qū)域：工作面前方30 m 位置設(shè)定為超前支護區(qū)，架后0～300 m 位置設(shè)定為滯后臨時支護區(qū)，架后300 m之后位置設(shè)定為成巷穩(wěn)定區(qū)。根據(jù)不同的區(qū)域針對性地采用不同的臨時支護方案。

對于超前支護區(qū)，采用工作面現(xiàn)有支護方式，不再重新設(shè)計。

對于架后臨時支護區(qū)，采用液壓單體反底梁支護技術(shù)，支護模型如圖4。該區(qū)域還設(shè)置有擋矸支護：鋼筋網(wǎng)+U 型鋼聯(lián)合支護。鋼筋網(wǎng)用Φ6.5 mm 的圓鋼焊接，網(wǎng)片規(guī)格1000 mm×2000 mm，網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm；可伸縮36U 型鋼寬360 mm，槽高96 mm，厚9 mm，長度2500 mm，用兩副卡蘭連接。

圖4 液壓單體反底梁支護技術(shù)模型示意圖

對于成巷穩(wěn)定區(qū)，只需要設(shè)置可伸縮U 型鋼進行擋矸支護，同時對碎石幫進行高分子化學(xué)漿噴射。

4 效益分析

4.1 試驗工作面順槽巷道留巷與掘巷效益對比

21206 工作面回風(fēng)順槽預(yù)計留巷1710 m，少掘巷道1950 m，不采用110 工法留巷時，掘巷成本約9000 元/m，大巷返修成本約1500 元/m。首個試驗工作面的留巷綜合成本包括：恒阻錨索、切頂預(yù)裂爆破施工及專利材料費（恒阻器、聚能管等）5500元/m；普通材料費用主要包括單體棚（按15%折舊）、錨索、炸藥、U 型鋼、鋼筋網(wǎng)等共計1200 元/m；人工費用1500 元/m。留巷概算成本為8200 元/m，按首個試驗工作面計算留巷效益：（9000+1500-8200）×1710+9000×240=609.3 萬元。

4.2 煤柱回收效益

按照21206 工作面留設(shè)30 m 煤柱計算，2#煤平均煤厚按照1.87 m，巷道長度1710 m，容重1.40 t/m3，該面大約可多產(chǎn)13.43 萬t 煤炭，按照目前800 元/t 計算，價值10 744 萬元。

總經(jīng)濟效益= 留巷效益+ 煤柱回收效益=609.3+10 744=11 353.3 萬元。

5 結(jié)論

針對21206 工作面回風(fēng)順槽及切眼的實際情況，設(shè)計采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護”無煤柱自成巷技術(shù)方案。通過預(yù)裂切縫爆破和恒阻大變形錨索支護進行補強加固，有效控制頂板下沉，保證留巷效果，經(jīng)濟效益顯著。