切頂自動成巷無煤柱開采技術在侏羅系薄煤層的應用

趙恩祺 馬金剛

（大同煤礦集團公司總調度室，山西 大同 037003）

切頂卸壓沿空自動成巷技術有著巨大的經濟社會效益，具有廣闊的推廣前景。如何針對大同煤田侏羅系薄煤層典型賦存條件，從理論和現場實踐中探索適合這種特殊地質條件下留巷的方法，成為了難題。本文以姜家灣煤礦8606、8608 工作面為具體工程背景，對侏羅系薄煤層的切頂卸壓沿空自動成巷進行分析，并提出相應的對策。

1 工程概況

1.1 巷道布置情況

姜家灣8606、8608 工作面位于7#層406 盤區。8606 工作面由5606 巷、2606 巷及切眼組成，2606巷為機軌合一進風順槽，5606 巷為回風運料順槽；8608 工作面由5608 巷（原2606 巷）、2608 巷及切眼組成，2608 巷做為機軌合一進風順槽，2606做為回風運料順槽。

三條順槽均沿煤層頂板起底掘進，矩形斷面，采用錨桿、鋼帶加錨索聯合支護。8606 工作面切眼寬6m、高2m，沿煤層底板挑頂掘進，斷面呈矩形，設計長度102m，采用錨桿加錨索聯合支護。8608工作面切眼設計長度108m，巷道規格及支護形式與8606 工作面切眼相同。

1.2 煤層、地質情況及四鄰關系

本工作面煤層屬于侏羅紀大同組7#層煤，煤層厚度0.8 ～1.46m，平均1.14m。煤層賦存較穩定，結構簡單，傾角0°～9°，平均4°，屬緩傾斜煤層。

（2）四鄰關系

工作面北部為305 軌、305 皮、305 回三條盤區大巷，南部為8606 工作面前期炮采采空區，西部為8604 采空區，東部為實體煤。

（3）層間關系

工作面煤層之上36m 左右為3#層刀柱采空區，煤層之上59m 左右為2#層采空區。

（4）地面位置

工作面對應地面位置無建筑物，地表為山脊和山溝。煤層埋藏深度為228～232m 左右。回采后對地面無影響。

煤層頂底板示意圖如圖1 所示。

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圖1 8606 工作面柱狀圖

1.3 煤塵、瓦斯情況

7#層煤塵具有爆炸性，自燃傾向性等級為Ⅱ類，自燃傾向性為自燃。8606 工作面煤層瓦斯，相對涌出量最大為 2.59m3/t，絕對涌出量最大為0.54m3/min，屬低瓦斯煤層。

2 切頂自動成巷技術

2.1 施工切縫孔，不采取預裂爆破原因

根據以往無煤柱開采經驗，切縫孔垂深為采高的3.5～3.6 倍，需要進行預裂爆破，形成切頂卸壓預裂切縫線。但此次切頂自動成巷只計劃施工切縫孔，未進行預裂爆破，原因如下：

（1）姜家灣煤礦侏羅系薄煤層埋藏深度淺（228～230m）、煤層厚度薄（1.3～1.5m），礦壓顯現較小；

（2）工作面直接頂為粉砂巖與細砂巖互層，厚度4～6m，日常開采時垮落步距一般為18m，頂板易垮落；

（3）根據姜家灣礦8-2#層301 盤區2103 巷沿空留巷的礦壓監測記錄顯示，該礦沿空留巷的巷道位移及礦壓顯現均不明顯。

（4）姜家灣礦在2010～2012 年期間已經對7#層301 盤區8125 普采工作面的5125 巷、8129 普采工作面的2129 巷、8-2#層301 盤區2103 巷進行過沿空留巷（充填式支護）試驗，效果比較理想，有著大量的實踐經驗作保障。

2.2 切縫孔布置

（1）頂板粗錨索加固后，按設計參數施工切縫孔，沿工作面推進方向，依次按設計打孔，幫助巷道切頂。

（2）切縫孔緊貼8606 大切眼20m 內南幫及2606 巷西幫煤墻布置，眼距為450mm，孔深5200mm，孔徑Φ50mm，與頂板呈75°夾角。切縫孔布置平面示意圖如圖2 所示。

圖2 切縫孔布置平面示意圖

2.3 錨索支護

傳統切頂卸壓沿空自動成巷大多數采用恒阻大變形錨桿（索）支護。該技術的最大特點為圍巖發生一定變形時，錨索會隨之發生變形，不僅圍巖的變形可得到釋放，錨索仍可保持恒定的工作阻力，實現圍巖的再穩定。

巷道開挖后，由于應力重新分布，出現應力集中現象，產生一定塑性區。同時因巷道施工及地質構造影響降低 了原有圍巖的穩定程度。此時，在圍巖尚未發生大變形破壞前，應根據設計要求安裝恒阻錨索進行支護。在圍巖出現大變形初期，能量較大，當圍巖變形能超出錨索阻力范圍，恒阻體在恒阻套管內發生滑移，以此來吸收變形能。圍巖發生大變形后，其能量得到釋放，巖體內部應力達到平衡。當圍巖的變形能小于恒阻器的設計恒阻力、錨索軸力小于恒阻體與恒阻套管的摩擦阻力時，圍巖將在恒阻大變形錨索的支護作用下再次穩定。

姜家灣礦7#層屬于侏羅系煤層，薄埋藏深度淺，頂板比較穩定，礦壓顯現較小，所以此次切頂自動成巷采用粗錨索支護代替恒阻大變形錨桿（索）支護。

為了切頂期間巷道的穩定，2606 巷沿空留巷支護采用補打錨索及配套鎖具，規格Φ21.8×8000mm，布置方式為2-1-0，排間距為1400×900mm（1800 mm），錨索孔徑Φ28mm，采用規格為300mm（長）×300mm（寬）×16mm（厚）的方鋼托板，錨索外露長度為200mm，預緊力為30t。具體補打形式：距巷道西幫0.7m 處補打第一排錨索，錨索孔與巷道頂板巖面夾角85°（偏向東側），巷中補打第二排錨索，錨索孔與巷道頂板巖面垂直。錨固劑采用mSCK2360 型，每孔2 卷。錨索支護示意圖如圖3 所示。

圖3 2606 巷粗錨索支護示意圖

2.4 動壓區加強支護

采空區側單體柱排距為600mm，間距450mm，每兩根單體配合一根0.8m 長的花邊梁，外側支設兩排單體柱，排間距為2000mm×900mm，每根單體配合一根0.8m 長的花邊梁。

2.5 擋矸支護

采用長度為2600mm18K 廢舊鐵道和鋼筋方格金屬網進行擋矸支護，鐵道緊挨采空區側單體柱，靠近采空區一側。金屬網規格為1400mm×2600mm，搭接長度200mm，采用16#鐵絲紐結，單排扣具300mm。片網要用雙股8#鉛絲和鐵道紐結，每根鐵道上紐結不少于3 扣，上中下各紐結1 扣。

3 效果

（1）此次切頂自動成巷未進行定向預裂爆破，而是通過理論分析和借鑒日常開采經驗，僅設計施工了切縫孔。通過對工作面所布置的測點進行觀測，結果顯示頂板最大位移為36mm，頂板可以及時自然垮落，開采留巷期間無大的礦壓顯現，實際切頂成巷效果也較好，如圖4 所示。

圖4 7#層406 盤區8606 無煤柱工作面2606 沿空留巷

（2）與傳統切頂卸壓沿空自動成巷技術相比，此次切頂自動成巷采用錨索支護代替恒阻大變形錨桿（索）支護，通過7#層8606 無煤柱工作面的順利開采，可以證明在侏羅系薄煤層的典型賦存條件和科學合理的支護設計下，直徑21.8mm、預緊力30t 的錨索可以代替恒阻大變形錨桿（索）支護，不僅避免了材料浪費，降低了成本，而且采用的是傳統施工工藝，更具有推廣性。

（3）薄煤層切頂自動成巷技術在姜家灣煤礦的成功應用不僅為該礦創造了經濟效益，同時也為大同地區其他礦井薄煤層無煤柱的開采提供了可靠寶貴的依據。