東河煤礦切頂卸壓護巷技術探討

裴韶華

（太原煤炭氣化（集團）有限責任公司安全監察局 山西太原030006）

0 引言

傳統的留設煤柱開采方法不但會造成煤炭資源的浪費，而且煤柱處形成較大面積的頂板巖層懸頂，懸頂過大會造成煤柱及柱旁巷道的應力過大，導致巷道變形過大，容易發生失穩，出現安全事故[1]。因此，提出了針對柱旁巷道進行切頂卸壓沿空留巷技術研究，不但可以保證巷道的穩定，而且可以實現更快捷的通風方式[2,3]。現針對東河煤礦2206軌道巷道進行沿空留巷技術研究，進而優化沿空留巷的支護方式，保證運輸巷道的圍巖穩定，進而保證工作面的安全回采。

1 工程概況

1.1 工作面概況

東河煤礦為太原煤炭氣化有限責任公司下屬煤炭企業，礦井生產能力為90萬t/a。所采2號煤層煤塵有爆炸性，平均厚度為1.91 m。2206運輸巷道位于二采區西南部，工作面東北部為東大巷，東南部為未采實體煤，西北部為2208工作面，西南部為碾溝村保安煤柱。2206工作面所采煤層平均厚度為1.91 m，平均傾角2°，工作面走向長度為532 m，傾向長度為200 m。工作面采用后退式一次采全高走向長壁全部垮落綜合機械化采煤法，工作面的支護為型號為ZY-3200/12/26兩柱掩護式液壓支架。2206工作面運輸巷道進行切頂卸壓無煤柱開采施工，留巷長度425 m，2206工作面頂底板巖性柱狀示意圖如圖1所示。

圖1 2206運輸巷道頂板鉆孔巖性柱狀圖

1.2 巷道原支護方式

2206運輸巷道沿煤層頂板掘進。長度532 m，為矩形斷面，掘進寬度3.8 m，掘進高度2.4 m。采用錨桿+錨索+鋼筋網聯合支護，頂板采用五排錨桿支護，其中中間三排錨桿垂直巷道頂板布置，兩側錨桿與巷道頂板成75°布置，托板為斜托板；頂板每隔3.2 m打1根錨索（位置：巷道中心線）；兩幫采用錨桿+金屬網聯合支護，兩幫成五花眼布置。巷道頂板較破碎時，采用縮小錨桿排距、鋪設鋼筋網。巷道支護圖如圖2所示。

圖2巷道原支護方式

采用110工法后，巷道受到頂板巖層壓力傳遞導致圍巖變形量大、成型差，原支護方式部分失效，無法滿足工作面的安全回采需求。為了保證2206工作面運輸巷道的安全穩定，需針對其頂板巖層進行切頂卸壓，并進行支護方式優化，保證巷道的安全穩定。

2 頂板預裂切縫設計方案

2.1 切縫高度設計

工作面煤層回采以后，直接頂首先發生離層和垮落，與沿空留巷側向邊界失去力學關系，而基本頂在留巷采空區側產生很長距離不宜垮落的懸頂，且對上覆數個軟弱巖層起到支撐作用，對沿空留巷產生較大的附加應力，相應地加大了留巷的支護難度。通過聚能預裂爆破，減小了基本頂側向懸臂的長度，使巖層斷裂線整體向采空側轉移，可有效緩解留巷圍巖應力。

式中：HQ為切頂高度，m；M為煤層厚度，m；K1，K2，···，Km分別為第一層，第二層，···，第m層巖層的碎脹系數；H1，H2，···，Hm分別為第一層，第二層，···，第m層巖層厚度，m；Kp為巖層平均碎脹系數，通常為1.3～1.5。

根據東河煤礦2206工作面現場工程地質條件可知，煤層厚度m=2.1 m，Kp取1.3，可得：HQ=6.3 m綜合考慮上述計算結果及頂板巖性沿走向變化情況，并提高初采階段頂板控制安全系數，為保證前期施工質量，確定留巷巷道里段200 m切頂深度（斜長）為8 m，垂高7.73 m，同時作為驗證將剩余225 m巷道切頂深度設計（斜長）為7 m，垂高6.76 m。

2.2 切縫角度設計

當切頂角度較小時，采空區側頂板巖層無法沿切縫順利垮落，還會傳遞應力，導致巷道的應力增高，當切頂角度較大時，沿空留巷上方頂板巖層會剩余較多，懸臂長度增加，導致應力一定程度上的提高，因此，通過相似工作面切頂經驗，取切頂角度為15°時，卸壓效果最優。

2.3 切縫間距設計

切頂卸壓時切縫間距，若頂板巖層為堅硬巖層，間距取400 mm～500 mm，頂板巖層為復合巖層，間距取500 mm～600 mm。東河煤礦2206工作面運輸巷道頂板巖層為低強度的復合頂板，因此間距取500 mm。2206工作面巷道頂板為低強度的復合頂板，設計間距為500 mm。為了達到更好的留巷效果，設計切縫孔位于巷道頂板與正幫夾角處，與水平方向夾角為75°，傾向于回采工作面一側，切縫孔間距為500 mm。

3 恒阻大變形錨索設計方案

根據相似工作面經驗，2206工作面運輸巷道切頂卸壓采用恒阻大變形錨索支護進行支護巷道。

頂板恒阻錨索支護參數確定

高預應力恒阻錨索采用?21.8 mm高強度鋼絞線，錨索長度按照以下公式計算：

式中：L—錨索總長度，m；La—錨索深入到較穩定巖層的錨固長度，取1.5 m；Lb—需要懸吊的不穩定的煤巖層厚度，取7.2 m、8.2 m(根據窺孔資料選取)；Lc—安裝、金屬網、托盤及錨具的厚度，取0.06 m；Ld—錨索外露長度，取0.3 m。

錨索長度L≥8.76 m、9.76 m

計算結果，確定頂板恒阻錨索長9.3 m和10.3 m。

根據2206工作面頂部巖性柱狀圖，參考礦方資料，確定恒阻錨索控制范圍內巖層平均容重為24 kN/m3，所懸吊不穩定巖層厚度為8.5 m，則被懸吊巖石自重按照下式計算：

式中：B—巷道掘進寬度3.8 m；∑h—懸吊巖石厚度，取8.2 m；∑r—懸吊巖石平均容重24 kN/m3；D—錨索間排距，0.8 m。

經計算可知，恒阻錨索懸吊巖石自重為573.3 kN，錨索恒阻力為330 kN，因此恒阻錨索支護密度至少應為1.73根/m,考慮到巷道中的普通錨索、U型鋼架的支護效應，最終確定恒阻錨索支護密度為1.875根/m。

根據理論計算，采用?21.8 mm高強度鋼絞線，頂板恒阻錨索長10.3 m和9.3 m。恒阻錨索支護密度為1.875根/m。恒阻器長450 mm，直徑75 mm～88 mm（上窄下寬），恒阻值為33±2 t，預緊力不小于25 t。結合東河煤礦2206工作面運輸巷道巖層巖性與原支護方式，將巷道支護范圍分為里段和外段。里段采用10.3 m的恒阻錨索，第一列距巷道正幫600 mm，排距800 mm，第二列布置于巷道中線位置，排距為1 600 mm；外段采用9.3 m的恒阻錨索，排距同上。如圖3所示。、

圖3恒阻錨索加強支護巷道展開圖

4 臨時加強支護方案

根據工作面現場監測數據，將需要臨時加強支護的區域分為三個，工作面前方30 m為超前支護區，架后0 m～200 m為滯后支護區，架后200 m往后為巷道穩定區。

（1）超前支護區支護方式

采用礦方現有“一排三柱”支護方式，采用2.6 mπ型梁，DZ-28單體支柱，梁距800 mm，兩巷超前支護至少30 m的距離。

（2）架后臨時支護區支護方式

采用單體液壓支柱配合π型梁進行超后支護。架后臨時支護區共布置四列單體，第一列單體距離切縫線200 mm，第二列單體距離第一列單體544 mm，第三列單體距離第二列單體1 050 mm，第四列單體距離第三列1 200 mm。其中第二、三和四列單體共用一根π型梁。單體排距為800 mm。

（3）成巷穩定區支護方式

該區將臨時支護“一排四柱”變為“一排三柱”，根據礦壓觀測數據分析，再變為“一排二柱”，直至單體支柱全部回撤，只保留U型可縮支架及鋼筋網進行擋矸。

5 工業試驗

東河煤礦2206工作面運輸巷道采用如上切頂護巷方案進行開采留巷，工作面日8循環，循環進度為0.6 m，日掘進速度為4.8 m/d，日產量為2 646 t。為檢驗此次研究的效果，在實施切頂卸壓后2206工作面運輸巷道布置測點，并按十字測量法測量運輸巷道頂底板及兩幫相對移近量。記錄并分析數據可知，2206工作面運輸巷道頂板最大離層高度89 mm，頂底板相對移近量最大125 mm，兩幫相對移近量最大104 mm。從數據分析結果看，運輸巷道能夠正常使用。

2202回風巷道巷道掘巷與留巷成本對比,東河礦采用110工法后，可以少掘進一條長度為460 m的巷道。綜合利潤1 192.28萬元。

6 結束語

針對東河煤礦切頂卸壓2206工作面運輸巷道采用原支護參數不能滿足留巷的支護需求；采用理論分析和工程經驗確定了切頂卸壓的各項參數及恒阻大變形錨索具體參數；并確定了運輸巷道臨時支護方案參數，最終進行了工業試驗，不但可以保證軌道巷道的安全使用，而且取得了巨大的經濟效益。