曙光煤礦沿空成巷無煤柱開采技術應用研究

任 建 忠

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司曙光煤礦 ，山西 孝義 032300）

1 工程概況

山西汾西礦業（集團）有限責任公司曙光煤礦主要位于山西省中部孝義市，局部區域位于晉中介休市和靈石縣境內，井田構造復雜程度為簡單類。曙光煤礦主采2、3 號煤層，地下開采方式，生產規模90 萬t/a，上組煤（2、3 號煤層）共劃分為四個采區（詳見圖2- 2），首采區為井底車場附近的一采區，采區接替順序為一采區→二采區→三采區→四采區，未來五年規劃開采范圍主要分布在一采區。一采區準備巷道和回采巷道均沿煤層底板掘進，巷道采用矩形斷面，巷道高度等于煤層厚度。1226 綜采工作面可采走向長度1562m，傾向長度180.5m，實體長176 m。1226 工作面所采煤層屬于二疊系下統山西組2# 煤，煤層厚度平均為2.85m，工作面沿頂底板割煤，不得留頂底煤。礦井現階段面臨巷道斷面大，掘巷速度慢，掘進成本較高，致使接替緊張，急需采用切頂卸壓自成巷新技術及其配套工藝來實現安全高效生產。本次研究以2#煤層1226 工作面回采為背景，1226 運輸巷留巷長度為1562m，沿空成巷無煤柱開采施工位置示意圖如圖1 所示。

圖1 1226 工作面采掘工程平面圖

2 原巷道支護形式

曙光煤礦1226 運輸巷掘巷期間采用“錨網索梁”聯合支護方式，頂板支護：頂板錨桿規格為Φ20×2400mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間、排距為850×1000mm，每排6 根，頂錨桿間通過4500mm 的鋼筋托梁聯結，鋼筋托梁采用Φ16mm 的圓鋼焊接，兩側頂角處的錨桿與水平線成75°角，中間四根錨桿垂直頂板，呈矩形布置，頂錨桿錨固劑采用MSK2355、MSZ2355 各一卷；裝錨固劑時先裝MSK2355 一卷，再裝MSZ2355 一卷。頂板錨索布置在兩排錨桿中間，第一排在距巷道中間1000mm 的左右兩側位置各打設一根點錨索，錨索間2000mm；第二排在巷道正中打設一根錨索，兩排依次循環。錨索采用φ21.6×6500mm 的鋼絞線及配套的錨具，錨索錨固劑采用MSK2355、MSK2355、MSZ2355 各一卷；裝錨固劑時先裝MSK2355 一卷，再裝MSK2355 一卷, 最后裝MSZ2355 一卷，頂錨索全部配合規格為300×300×12mm 的四方鐵板進行支護。兩幫支護：左、右兩幫每排各支設四根規格為Φ20×2400mm 的左旋螺紋鋼錨桿，上部三根幫錨桿配合規格為L=1900mm 的鋼筋鋼帶進行支護，鋼筋鋼帶采用Φ14mm 的圓鋼焊接而成，錨桿呈矩形垂直巷幫；下部一根幫錨桿配合400×280mm 的W 鋼帶進行支護，W 鋼帶橫向布置，錨桿與巷幫成75°角向下打設，幫錨桿間、排距為850×1000mm。巷道右幫2# 煤與夾矸分界處打設一根點錨索，錨索與巷道右幫成75°角，錨索的排距為2m，錨索采用φ21.6×6500mm 的鋼絞線配合300×300×12mm 的四方鐵板進行支護。頂幫金屬網采用1100mm×2800mm 和1100mm×5000mm 的菱形金屬網，網與網之間搭接100mm，每150mm 聯一道聯網絲，三花型布置，聯網絲采用16# 鉛絲。1226 運輸巷永久支護詳情如圖2 所示。

圖2 運輸巷原支護斷面圖

3 沿空成巷切頂方案設計

本次研究設計在1226 運輸巷采用以“切頂卸壓+ 恒阻大變形錨索支護”為主體的設計方案，通過預裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，減弱巷道頂板壓力，且預裂爆破能夠很好地保護巷道頂板完整性[1]。利用恒阻大變形錨索進行補強加固，減小巷道頂板的下沉量，提高留巷期間巷道圍巖自身的穩定性，減少巷道變形，保證留巷效果。根據上述思路，結合以往工程經驗和礦方意見[2]，提出了以下設計方案。

3.1 頂板預裂切縫設計方案

為保證留巷效果，在1226 工作面運輸巷道靠近回采側范圍內進行切頂爆破，采用雙向聚能爆破預裂技術，使巷道頂板沿其軸向方向形成一個連貫的裂縫，頂板整體切落形成巷幫，參考類似地質條件下切頂留巷成功的案例，合理預裂切縫深度應不小于2.6倍采高，即H縫≥2.6 H煤，本次煤層平均厚度2.85m，計算得H縫=7.41m；預裂切縫鉆孔深度一般通過如下方式確定[3～4]：

H縫=（H煤- ΔH1- ΔH2）/（K- 1）

式中：ΔH1為頂板下沉量，單位：m；ΔH2為底臌量，單位：m；K 為碎脹系數，1.3～1.4。

根據1226 運輸巷頂板巖性，K=1.3，頂板下沉量取0.15m，底板底鼓量取0.10m，在不考慮底臌及頂板下沉的情況下，工作面采高H 煤為2.85m 時，計算得H縫=8.7m。綜合考慮上述計算結果，預裂切縫孔深度基準線設計為H縫=9.0m。依據所繪制1226 工作面運輸巷側煤層及上覆巖層分布圖，根據確定的切縫孔基準線結合巷道頂板巖性分布對1226 工作面進行留巷工程區劃設計，最終設計1226 運輸巷切縫孔距巷道回采側幫150mm，切縫面與鉛垂線夾角為15°，切縫孔間距初步設計為600mm，切縫高度為10.0m，施工時至少超前工作面50m，具體見圖3 所示。

圖3 1226 運輸巷留巷支護示意圖

3.2 恒阻大變形錨索設計方案

為了保證工作面回采期間切頂成巷過程中及周期來壓期間1226 運輸巷圍巖的穩定性，進行預裂切頂前采用恒阻大變形錨索對頂板進行加固。為使錨索懸吊在上覆堅硬巖層，確保錨索的錨固力，需設計錨索的長度不小于 H縫+2.0m+ 外露長度（0.3m），考慮到頂板巖層分布、巷道原有支護參數情況，恒阻錨索設計長度為12.3m，施工時至少超前工作面100m，具體根據礦壓顯現情況調整。1226 工作面運輸和材料巷共布設2 列恒阻大變形錨索，第一列恒阻錨索距切縫鉆孔 400mm ( 距回采側煤幫 550mm）， 排距1000mm；第二列中線偏實體煤側200mm，排距2000mm。恒阻錨索相鄰錨索之間用3mm×280mmW鋼帶連接（平行于巷道走向），恒阻錨索支護圖如圖3所示，恒阻大變形錨索直徑取為21.8mm，恒阻器長450mm，直徑85mm，恒阻值為32t，預緊力不小于25t。1226 運輸巷切縫鉆孔布置及加強支護詳情如圖

4 所示。

圖4 1226 運輸巷切縫鉆孔布置及加強支護展開圖

4 應用效果監測

4.1 恒阻錨索載荷監測

恒阻錨索載荷的監測是通過錨索測力計，每個測點布置4 個測力計，靠近回采幫和靠近實體煤幫各監測兩根錨索，取兩個讀數的平均值，靠近回采幫的為1# 錨索，具體的監測結果如圖5 所示，工作面推進至測點處時，恒阻錨索受力基本等于其預緊力250kN，工作面推過測點后，恒阻錨索的受力逐漸增大，平最終達到平衡，靠近實體煤壁側的恒阻錨索載荷為311kN，靠近回采側的錨索載荷略大于煤壁側，載荷為315kN，錨索的載荷在回采工作面后方一定范圍內平穩增加最終趨于穩定，且均為超過錨索的破斷極限（360kN），由此可知，恒阻大變形錨索工作面狀態良好，對巷道圍巖穩定的控制起到了重要作用。

圖5 巷道圍巖表面位移觀測結果圖

4.2 巷道表面位移量監測

為考察1226 運輸巷無煤柱沿空留巷的效果，留巷圍巖穩定后，通過實地測量考察其斷面收斂情況，整理得到圖6 所示的結果，距切眼0～300mm 范圍內，巷道斷面收斂量很小，平均約為0.65m2，留巷效果非常好，距切眼300～8000m 范圍內，巷道斷面收斂量平均約為2.0m2，巷道表面位移量仍控制在合理的范圍內，經過簡單的修復即可使用，綜上可知，切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術在1226 運輸巷應用效果良好。

圖6 巷道變形情況監測結果

5 結論和建議

為解決曙光煤礦礦井采掘接替緊張的難題，提高工作面采出率、巷道利用率，設計在1226 工作面應用切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術，依據其詳細的地質條件進行理論分析、數值計算，設計采用“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護”為主的留巷工藝，現場應用及監測結果表明，留巷效果良好，填補了汾西礦業集團切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術空白，本次研究成果可作為汾西礦業集團類似條件下采用切頂卸壓自成巷技術借鑒，其推廣意義深遠。