中厚煤層無煤柱開采回采巷道支護技術研究與應用

田劍舟

（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

山西汾西礦業有限責任公司曙光煤礦主要位于山西省中部孝義市，現礦井生產能力90萬t/a，開采2#煤層，平均厚度為2.85m，煤層傾角2°～6°，2#煤層偽頂厚約0.2m，巖性為黑灰色泥巖，局部發育，隨采隨落；直接頂為厚約3.2m的砂質泥巖，直接底為厚約2.7m的中粒砂巖，頂底板巖性特征詳見表1。1232運巷對應地表標高在+927m～+1054m之間，1對應地表位置大部分為第三、第四系黃土覆蓋，溝谷發育；1232運輸巷井下位于一采區西翼，北部為尚未掘進的1234材料巷，南部為尚未掘進的1232材料巷，東鄰一采區集中軌道巷，西至井田邊界。1232運巷在山西組2#煤層中掘進，煤層標高在+442m～+504m之間，1232運巷在山西組2#煤層中掘進，上部為不可采的1#煤層下部為局部可采的3#煤層。曙光煤礦現階段面臨嚴重的采掘接替緊張的問題，為提高巷道利用率和采區回采率，設計在1232運巷采用切頂卸壓沿空留巷技術，為取得較好的應用效果展開相關研究。

表1 頂底板巖性特征

2 1232運巷切頂留巷關鍵參數研究

切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采工藝是在傳統留巷工藝基礎上，通過對頂板施工預裂爆破鉆孔，使頂板在工作面回采期間及時垮落，垮落的頂板在留巷采空區側形成幫部，上覆巖層垮落快速充填采空區，冒落堆積的矸石起到支撐作用，形成穩定的結構，減小采空區頂板對巷道圍巖穩定性的影響，有效保證巷道穩定。切頂卸壓技術的關鍵參數為切頂高度、角度[1]，為確保1232運巷的切頂效果首先展開合理參數的研究。

2.1 切頂高度分析

為確保采空區垮落巖層能夠基本將采空區充填，參考類似地質條件下切頂留巷成功的案例，切頂垂直高度應不小于工作面采高的2.6倍，曙光煤礦1232工作面采高約為2.85m，故切頂高度應大于7.41m，具體的預裂切縫鉆孔深度可由下式計算[2]：

式中：H縫為預裂鉆孔垂直高度，m；H煤為工作面采高，m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底板底臌量，m；k為上覆巖層碎脹系數，1.3～1.4。

曙光煤礦1232工作面上覆巖層碎脹系數取1.3，工作面回采前1232運巷頂板下沉量約200mm，底板底鼓量約100mm，工作面采高為2.85m，由式（1）計算可得H縫=8.5m，因此確定預裂切縫鉆孔垂直高度為9.0m。

2.2 切頂參數模擬研究

為驗證預裂切縫鉆孔垂直高度為9.0m的合理性，確定合理的鉆孔布置方式，基于曙光煤礦1232運巷工程地質條件及各巖層實驗室物理力學實驗結果，采用UDEC離散元數值模擬軟件建立模型[3]，對不同切頂方案和支護方案模擬分析，模型沿工作面推進方向的切面建立，寬度為200m（工作面長度方向），高度60m（垂直方向），1232運巷寬度為5.5m，高度為2.8m，1232工作面采空區高度為2.85m，長度為150m，模型左右邊界施加水分方向的位移約束，下部邊界施加垂直方向的位移約束，上部邊界施加應力約束，工作面平均埋深約450m，施加垂直應力為10.8MPa，具體模型如圖1所示。

圖1 數值模型示意圖

參考類似地質條件下切頂留巷技術成功應用的實例，初步設計切頂預裂鉆孔與垂直方向的角度分別為0°、15°、30°，切頂高度為9m，模擬方案：模型平衡后得到初始地應力場→1232運巷開挖支護→切頂→1232工作面開采。切頂預裂鉆孔不同布置角度條件下，巖層運移垮落狀態模擬結果如圖2所示。

由圖2所示結果可以看出，切頂高度9m條件下，切頂角度在0～30°之間，工作面回采后上覆巖層垮落后均基本將采空區充填，驗證切頂高度為9m的合理性。切頂線沿垂直方向的條件下，沿空巷道頂板下沉量達到1100mm，表明采空區的矸石未能有效的支撐沿空巷道頂板短懸臂結構，頂板受到很大的垂直地應力作用，巷道圍巖穩定性較差。切頂線與垂直方向15°條件下，采空區矸石碎脹作用下有效支撐頂板，切落的巖石對沿空巷道頂板起到斜撐作用，頂板下沉量僅為220mm，巷道圍巖穩定，切頂效果良好。切頂線與垂直方向增大為30°條件下，頂板下沉量增大為510mm，由于沿空巷道頂板短壁結構長度增大，且切落的巖層未起到良好的支撐作用，導致頂板下沉量增大，不利于整體巷道圍巖的穩定性控制。綜上可知，切頂角度為15°較合理。

圖2 數值模擬結果

3 支護方案優化設計數值模擬研究

采用UDEC進行不同支護參數下的數值模擬研究，類比相似地質條件下切頂留巷的支護方案[4]，設計1232運巷采用以下方案進行支護：①方案一，直徑20mm、長度2.4m的螺紋鋼錨桿，每孔采用3卷K2335樹脂藥卷，間排距為900mm，頂板每排5根，兩幫每幫各3根，頂板錨桿錨固力不低于100kN，幫部錨桿錨固力不低于50kN，安裝預緊力距不小于200N?m。頂板布置直徑21.8mm、長度8.0m的鋼絞線錨索，每孔采用3卷K2850樹脂藥卷進行錨固，錨固力不小于250kN，預應力不小于120kN，沿巷道軸向通過W型鋼帶聯結，鋼帶長5.4m，錨索間排距2000×2400mm。切頂留巷期間，在巷道靠近回采幫頂板布置規格為φ21.8mm×L8000mm的恒阻長錨索，恒阻器直徑65mm，長度500mm，恒阻值35t，排距為1800mm，恒阻錨索間沿軸向同樣通過W型鋼帶聯結。②方案二，巷道掘進期間頂板錨索布置在巷道中心線處，每排一根，排距1800mm，相較方案一較少了一根非回采側頂板錨索；③方案三，在方案二的基礎上減小錨索長度，將錨索長度改為6.0m；④方案四，將頂板錨索長度改為7.0m。在不同支護方案條件下，進行工作面開挖模擬，模擬結果表明差別最大的為沿空巷道頂板最大下沉量，統計頂板最大下沉量的模擬結果詳見圖3。

圖3 各支護方案頂板下沉量模擬結果統計

圖4 1232運巷切縫鉆孔布置及加強支護展開圖

根據圖3所示的結果可知，方案一條件下，頂板下沉量最小，支護效果良好，方案二相對于方案一減少頂板錨索的數量，頂板下沉量增大了10mm，圍巖穩定性較好，而方案三、四條件下頂板下沉量增大更為明顯，因此綜合考慮安全、經濟等因素，選擇方案二作為1232運巷的支護方案。1232運巷留巷切頂及補強支護詳情如圖4所示，切頂鉆孔直徑為46mm，垂直高度為9.0m，布置間距為900mm，超前工作面20m進行預裂爆破；超前工作面50m施工恒阻長錨索，在工作面前方30m和后方100m采用單體柱+π形梁進行補強支護。

4 應用效果監測

采用十字交叉法觀測巷道表面位移，整理得到圖5所示的結果。圖5（a）所示結果為巷道寬度在工作面回采前后的變化，1232運巷切頂留巷期間，大部分巷段兩幫移近量小于200mm，個別巷段兩幫移近量達到400mm左右；圖5（b）所示結果為巷道高度在工作面回采前后的變化，1232運巷切頂留巷前后，多數巷段頂板下沉量保持在200mm以下，局部達到400mm以上；綜上可知，1232運巷留巷期間圍巖穩定性良好，表面位移量較小且在合理范圍內，經過簡單的返修即可服務于下個工作面。

5 主要結論和建議

為保證切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術在曙光煤礦1232運巷的成功應用，通過理論計算確定切縫線合理垂直高度為9m，采用Udec數值軟件研究表明，切縫線與豎直方向呈15°夾角偏向采空區時，切頂效果最佳，依據1232運巷具體地質條件設計其留巷支護方案，并模擬分析優選出最佳方案，現場應用及巷道表面位移監測結果表明，留巷期間，大多數區域巷道頂板下沉量和兩幫移近量均小于200mm，圍巖整體穩定，支護效果顯著，研究成果可為類似地質條件下切頂卸壓留巷技術的應用提供借鑒。