華苑煤業(yè)小煤柱孤島工作面上下聯(lián)采工藝的應(yīng)用研究

＊司新蕾

（太原煤炭氣化有限責(zé)任公司 山西 030032）

1.回采工作面基本情況

華苑煤業(yè)現(xiàn)主要開(kāi)采9#、10#煤層，直接頂板為K2灰?guī)r，平均厚度1.14m，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。10#煤層位于太原組下段中上部，上距9號(hào)煤層4.35～6.21m。煤層厚度平均4.23m。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。

井下現(xiàn)有兩個(gè)綜采工作面（9107、10107工作面），10107工作面兩側(cè)煤柱平均寬6m，9107與10107工作面采用小煤柱上下聯(lián)采布置，為有效解決兩個(gè)工作面回采應(yīng)力集中的問(wèn)題，采取了錨固注漿加強(qiáng)支護(hù)、水壓致裂、爆破切頂卸壓等技術(shù)措施。

2.10107工作面支護(hù)及回采動(dòng)壓顯現(xiàn)狀況

(1)10107工作面支護(hù)情況

10107工作面支護(hù)分為兩個(gè)部分，原有支護(hù)和后期補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，因10107在回采時(shí)巷道變形嚴(yán)重，后期進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

(2)10107工作面原有支護(hù)

10107工作面膠帶順槽斷面為矩形，掘進(jìn)斷面14.4 m2，寬4800mm，高3000mm，頂板采用螺紋鋼錨桿+中空注漿錨索+鋼絞線錨索+鋼筋網(wǎng)+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)；左幫采用螺紋鋼錨桿+菱形金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)；右?guī)椭ёo(hù)采用螺紋鋼錨桿+中空注漿錨索+菱形金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)。

10107軌道順槽斷面為矩形，掘進(jìn)斷面14.4m2，寬4000mm，高3600mm，頂板采用螺紋鋼錨桿+中空注漿錨索+鋼絞線錨索+鋼筋網(wǎng)+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)；左幫支護(hù)采用螺紋鋼錨桿+中空注漿錨索+菱形金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)；右?guī)椭ёo(hù)采用螺紋鋼錨桿+菱形金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)。

①10107軌道順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

A.頂板采用鋼絞線錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

錨索采用φ21.8mm×8200mm的19股鋼絞線，在距離兩幫500mm處分別支護(hù)，每排2根，排距2000mm，在原支護(hù)錨索間隔處補(bǔ)打，垂直頂板布置。

B.兩幫采用中空注漿錨桿+超前注漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

錨桿采用φ25mm×2400mm的中空注漿錨桿，在兩幫距頂板1000mm處以水平向上偏移15°的角度施工2根，在兩幫距離底板500mm處以水平向下偏移15°的角度施工2根，每排4根，排距2000mm，在原支護(hù)錨索間隔處補(bǔ)打；工作面煤壁幫采用φ21.8mm×8200mm的19股鋼絞線在中部支護(hù)，每排1根，排距2000mm。

C.底板采用中空注漿錨桿+螺紋鋼錨桿+超前注漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

在底板距兩幫300mm處分別以垂直方向向兩側(cè)偏移15°的角度施工φ25mm×2400mm的中空注漿錨桿，每排2根排距2000mm。

在底板距兩幫300mm處分別以垂直方向向兩側(cè)偏移15°的角度施工φ22mm×2400mm的螺紋鋼錨桿（與注漿錨桿錯(cuò)開(kāi)布置），每排2根，排距1000mm。

②10107膠帶順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

A.頂板采用鋼絞線錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

錨索采用φ21.8mm×8200mm的19股鋼絞線，施工在巷道中部，排距2000mm，在原支護(hù)錨索間隔處補(bǔ)打，垂直頂板布置。

B.煤柱側(cè)巷幫采用中空注漿錨桿+超前注漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

錨桿采用φ25mm×2400mm的中空注漿錨桿，在巷幫距頂板1000mm處以水平向上偏移15°的角度施工1根，在巷幫距離底板500mm處以水平向下偏移15°的角度施工1根，每排2根，排距2000mm，在原支護(hù)錨索間隔處補(bǔ)打。

C.煤壁側(cè)巷幫采用中空注漿錨桿+超前注漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

錨桿采用φ25mm×2400mm的中空注漿錨桿，在巷幫距頂板500mm處以水平向上偏移15°的角度施工1根，在巷幫距離頂板1000mm處以水平向下偏移15°的角度施工1根，每排2根，排距1000mm，在原支護(hù)錨桿間隔處補(bǔ)打。工作面煤壁幫采用φ21.8mm×8200mm的19股鋼絞線在中部支護(hù)，每排1根，排距2000mm。

D.底板采用中空注漿錨桿+螺紋鋼錨桿+超前注漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

在底板距煤柱側(cè)巷幫300mm處以垂直方向向煤柱側(cè)偏移15°的角度施工φ25mm×2400mm的中空注漿錨桿，每排1根，排距2000mm；

在底板距煤柱側(cè)巷幫300mm處以垂直方向向煤柱側(cè)偏移15°的角度施工φ22mm×2400mm的螺紋鋼錨桿（與注漿錨桿錯(cuò)開(kāi)布置），每排1根，排距1000mm。

③10107回采動(dòng)壓顯現(xiàn)狀況

10107工作面自2021年7月份開(kāi)始回采，工作面推進(jìn)至180m時(shí)，因與9107工作面采用上下聯(lián)合小煤柱開(kāi)采，且又為孤島工作面，兩順槽超前支護(hù)50m范圍內(nèi)出現(xiàn)巷幫片幫嚴(yán)重、頂板破碎、底板底鼓等現(xiàn)象，頂?shù)装迤骄平窟_(dá)2065mm，兩幫平均移近量達(dá)2611mm。

3.10107工作面水力壓裂工藝及壓裂后礦壓情況

(1)水力壓裂工藝

10107工作面針對(duì)9#煤層遺留煤柱上覆K2灰?guī)r進(jìn)行水力預(yù)裂，作業(yè)順序?yàn)殂@孔→窺視→封孔→壓裂，通過(guò)觀測(cè)分組的方式確定了致裂孔間距為10m時(shí)最佳，具體布孔位置如下：

10107兩順槽水力壓裂鉆孔布置A孔、B孔與C孔，其中膠帶順槽布置A孔與B孔，軌道順槽布置A孔與C孔。

鉆孔參數(shù)分別為：

①壓裂鉆孔A，鉆孔長(zhǎng)度19m，傾角51°；

②壓裂鉆孔B，鉆孔長(zhǎng)度16m，傾角74°；

③壓裂鉆孔C，鉆孔長(zhǎng)度14.5m，傾角74°。

(2)壓裂后10107工作面礦壓情況

為了確定10107工作面壓力顯現(xiàn)情況，在10107工作面順槽50m范圍內(nèi)頂板、底板以及兩幫布置了測(cè)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)在工作面推進(jìn)過(guò)程中，10107順槽頂?shù)装逡约皟蓭鸵平?，具體監(jiān)測(cè)的變形量如圖2所示。

圖1 水力切頂后頂?shù)装鍍蓭鸵平孔兓€

綜合以上10107工作面水壓致裂前后數(shù)值結(jié)果的分析，相比于水壓致裂前，水壓致裂后，頂?shù)装迤骄平考s1698mm，兩幫平均移近量達(dá)2137mm。經(jīng)對(duì)比，水壓致裂前雖取得一定的效果，但未有效解決10107工作面巷道圍巖變形的問(wèn)題。

4.爆破切頂工藝及爆破后礦壓顯現(xiàn)情況

(1)爆破切頂工藝

爆破切頂卸壓從9#煤層9107工作面兩順槽進(jìn)行，共分為兩部分。

第一部分目的為切斷工作面后方弧形三角板結(jié)構(gòu)，削弱側(cè)向堅(jiān)硬頂板及本工作面后方堅(jiān)硬頂板對(duì)回采巷道超前段的影響程度，為深淺孔結(jié)合切頂，深淺孔排距為1m，深淺孔切頂目標(biāo)層分別為K3灰?guī)r和K2灰?guī)r，此部分鉆孔稱為深淺孔；深孔24m，淺孔11m，切頂角度初步確定為：α=60°，β=90°。

第二部分目的為使本工作面周期來(lái)壓步距有所減小、來(lái)壓強(qiáng)度有所降低，主動(dòng)控制工作面后方的垮落情況，從而降低其對(duì)超前階段的影響程度，切頂目標(biāo)層為K3灰?guī)r，每10m一組孔，每組三個(gè)孔。此部分鉆孔稱為組合孔；1#鉆孔深度應(yīng)為20m，2#鉆孔深度應(yīng)為23m，3#鉆孔深度應(yīng)為26m，保證切頂目標(biāo)層距離切眼頂板18m；切頂角度初步確定為：1#鉆孔α=67°，β=90°；2#鉆孔α=55°，β=90°；3#鉆孔α=45°，β=90°。

9107工作面爆破均采用80mm直徑聚能管作為載體，每排并排裝入2支炸藥，孔內(nèi)分為裝藥段和封孔段；裝藥段采用聚能管裝藥，炸藥連續(xù)間隔安裝；封孔段采用注漿封孔；孔內(nèi)并聯(lián)、孔間串聯(lián)連接；炸藥引爆采用“礦用電雷管+礦用導(dǎo)爆索”引爆，導(dǎo)爆索沿聚能管布置，布置在聚能管內(nèi)，在聚能管最下部采用兩發(fā)雷管引爆，一起爆破的炮眼雷管段別相同。

深淺孔中，淺孔裝藥9kg，封孔5m；深孔裝藥24kg，封孔8m。

組合孔中，1#鉆孔裝藥21kg，封孔7m；2#鉆孔裝藥24kg，封孔8m；3#鉆孔裝藥27kg，封孔9m。

9107工作面爆破切頂工藝流程如下：

爆破鉆孔施工工藝流程：施工頂板鉆孔→清孔（洗孔）。

爆破工藝流程：檢查孔口附近瓦斯→炸藥裝入聚能管中→雷管裝入聚能管中并連接好→聚能管相互連接→聚能管送入炮孔→注漿封孔→相鄰炮孔連線→母線連接→檢查孔口附近瓦斯→起爆→檢查孔口附近瓦斯→清理現(xiàn)場(chǎng)→進(jìn)入下一循環(huán)。

(2)爆破后礦壓顯現(xiàn)情況

為了確定10107工作面壓力顯現(xiàn)情況，在10107工作面順槽50m范圍內(nèi)頂板、底板以及兩幫布置了測(cè)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)在工作面推進(jìn)過(guò)程中，10107順槽頂?shù)装逡约皟蓭鸵平浚唧w監(jiān)測(cè)的變形量如圖3所示。

圖3 爆破切頂后頂?shù)装鍍蓭鸵平孔兓€

綜合以上10107工作面爆破切頂前后數(shù)值結(jié)果的分析，相比于爆破切頂前，爆破切頂后，頂?shù)装迤骄平考s1076mm，兩幫平均移近量達(dá)1228mm。較頂未實(shí)施爆破前，頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟棵黠@減小。

5.結(jié)論建議

華苑煤業(yè)10107工作面為小煤柱上下聯(lián)合開(kāi)采工作面，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況及已采取的水壓致裂及爆破切頂?shù)却胧?，通過(guò)理論分析、礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究，主要結(jié)論如下：

（1）小煤柱沿空掘巷巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，產(chǎn)生大變形，在掘進(jìn)期間需嚴(yán)把掘進(jìn)巷道支護(hù)質(zhì)量關(guān)。

（2）通過(guò)9107工作面實(shí)施爆破切頂工藝，切斷上覆厚硬灰?guī)r應(yīng)力傳遞，削弱其對(duì)工作面覆巖“拖拽”作用、煤柱集中應(yīng)力以及工作面端部后方弧形三角板影響。緩解了10107工作面兩順槽巷道變形情況，確保工作面頂板安全。

（3）在10107工作面采用錨固注漿措施，可改善破碎圍巖的強(qiáng)度和力學(xué)狀態(tài)，提高碎脹巖體的承載能力和抗變形能力。

（4）10107工作面爆破切頂工藝較短孔水力壓裂工藝，效果明顯。