堅硬頂板無煤柱開采支護及工藝研究與應用

吳燦華

（晉能控股煤業集團大斗溝煤業有限公司，山西 大同 037000）

無煤柱開采對我國的煤炭資源回收有重大的意義，尤其在中厚煤層開采中具有推廣價值。針對在堅硬頂板中進行無煤柱沿空留巷，并從切頂預裂、擋矸支護、開采工藝、補強支護等多方面進行了試驗研究，對無煤柱開采具有十分重要的意義。

1 工程概況

同忻煤礦三盤區南北長1 900 m，東西長3 900 m，可布置10 個無煤柱開采工作面。首采工作面編號為8301，走向長1 380 m，傾向長180 m，相鄰工作面編號為8306，走向長1 780 m，傾向長180 m。煤層底板等高線標高為+886～+906 m。山2 號煤層厚度為1.6～3.3 m，平均2.6 m，煤層傾角1°～5°，平均傾角3°。

山2 號煤層偽頂為炭質泥巖、泥巖、砂質泥巖，薄層狀，水平層理，厚0～1.75 m；直接頂為粉砂巖、砂質泥巖及泥巖，水平層理，中厚層狀，厚0.26～8.89 m；老頂以含礫粗粒砂巖和細粒砂巖為主，次為砂礫巖和中粒砂巖，多為K8砂巖，厚層狀，交錯層理，膠結致密，厚1.00～45.36 m，平均18.27 m。含礫粗砂巖，天然狀態下極限抗壓強度為81.30～92.90 MPa，屬堅硬頂板。工作面采用傾向長壁一次采全高綜合機械化采煤工藝，后退式開采，采用全部垮落法管理頂板。工作面布置見圖1。

圖1 工作面布置

2 切頂預裂的方案研究

2.1 預裂孔的設計施工方案

三盤區采煤工作面采用無煤柱連續回采。首采8301 工作面回采時沿空保留輔運順槽（5301 巷）作為8306 工作面的皮帶順槽（2306 巷）。采用雙向聚能爆破技術超前預裂頂板，利用采場周期來壓沿空切頂，控制老頂的回轉和下沉變形，實現卸壓作用。5301 巷道設計寬5.2 m，高3.6 m，根據頂板直接頂的厚度，以及確保切入關鍵層中，并保證切縫深度滿足采空區的塌落填充高度，形成對上覆老頂巖梁的支撐結構。

（1）采空區填充高度H1計算

式中：Hc為采高，為2.8 m；n 為巖石碎漲系數，取1.35。

計算可得H1=8.0 m。

（2）根據110 工法規范公式計算裂縫高度Hf。

Hf=2.6Hc，計算可得Hf=7.28 m。

結合不同區域的直接頂厚度，分段選擇切縫高度。開切眼至外600 m 直接頂平均厚度為9 m 左右；為確保切縫效果，該區域選擇切縫高度選擇9.0 m，切縫孔與鉛錘線夾角為15°，切縫孔深度為9.3 m。600 m 至停采線直接頂平均厚度為8 m 左右，該區域選擇切縫高度選擇8.0 m，切縫孔深度為8.3 m。

2.2 聚能材料的選用

選取3 種聚能材料進行了試驗分析。第一種是雙向打孔圓形聚能管，外徑為42 mm，內徑為36.5 mm，管長1 500 mm。第二種是W型聚能管，外徑29 mm，內徑20 mm，管長1 500 mm。第三種是D型聚能管，外徑40 mm，內徑35 mm，管長1 500 mm。

（1）雙向打孔圓形聚能管采用三級乳化炸藥，每卷炸藥尺寸為Φ35 mm×300 mm，每卷炸藥300 g，每個孔安裝5 根聚能管，裝藥結構為4+3+3+3+3，封土1.8 m。經過窺視可見非常明顯的對稱裂縫，切頂預裂窺視見圖2。內，每個孔安裝5 根聚能管，全管內擠滿炸藥。封土1.8 m。經過窺視可見輕微不連續裂縫，切頂預裂窺視見圖3。

圖2 雙向打孔圓形聚能管切頂預裂效果窺視圖

圖3 W 型聚能管切頂預裂效果窺視圖

（3）D型聚能管試驗，安裝炸藥量和方式與雙向打孔圓形聚能管一致，經過窺視，可見較細的裂縫，切頂預裂窺視見圖4。

圖4 D 型聚能管切頂預裂效果窺視圖

通過效果對比和施工的方便程度，選擇了雙向打孔圓形聚能管。

2.3 爆破效果試驗

根據上述選定的聚能管，實驗了3 種裝藥結構并進行了窺視分析。第一種是安裝5 根聚能管，采用4+3+3+3+3 裝藥結構，采用炮泥機制土封孔1.8 m。根據窺視可看出，切縫對稱連續，孔底巖石沒有破碎，孔口爆坑比較嚴重，并且根據收集的尾懸板塌落資料，可見沿空留巷尾三角區懸板一般在20 m 左右。

第二種是安裝4 根半聚能管，采用5+4+3+3+2裝藥結構，采用炮泥機制土封孔2.6 m。根據窺視可看出，切縫對稱連續，孔底巖石比較破碎，部分鉆孔在中部已經變形、破碎，孔口存在爆坑，并且根據收集的尾懸板塌落資料，可見沿空留巷尾三角區懸板一般在13 m 左右。

第三種是安裝4 根半聚能管，采用5+4+3+3+1裝藥結構，采用炮泥機制土封孔2.6 m。根據窺視可看出，切縫對稱連續，孔底巖石比較破碎，部分鉆孔在中部已經變形、破碎，孔口基本無爆坑，部分炮孔的封孔還完好，并且根據收集的尾懸板塌落資料，可見沿空留巷尾三角區懸板一般在12 m 左右。

通過實驗分析，并考慮到孔口爆坑少，能有效避免對巷道原有支護和補強支護的破壞，選取了第三種爆破方案，安裝4 根半聚能管，采用5+4+3+3+1裝藥結構，采用炮泥機制土封孔2.6 m，進行預裂爆破。

3 無煤柱沿空留巷支護方案

3.1 巷道的補強支護方案

（1）補強錨索長度計算

為保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩定性，在對巷道頂板進行切頂前采用錨索補強加固。其中補強錨索長度計算可根據110 工法規范公式計算：

式中：Lh為補強錨索長度，m；Hf為切縫深度，m；Hf=2.6Hc，Hc為工作面采高。

即恒阻錨索長度通常比切縫高度長2 m，以采高2.8 m 計算，那么補強錨索的長度為9.28 m，根據資料可以確定直接頂最厚為8.89 m，錨索長度選擇10.3 m 符合設計要求。

（2）錨索間排距設計

單位面積內補強錨索的數量計算

式中：Pn為單位面積內頂板壓力，kN；P0為補強錨索恒阻值，kN，取252 kN；K 為安全系數，取1.1～1.3，取1.3。

經過計算，每平方米需要1.13 根Φ21.8 錨索，設計中在原支護基礎上共布設2 列，采用“三花型”布置。第一列錨索距8301 工作面側650 mm，排距1 500 mm；第二排距第一列1 150 mm 為補打，排距3 000 mm，符合上述計算要求。

為了增加采空側的補強支護的完整性，在靠近煤壁側一列補強錨索上沿著巷道走向添加3.4 m鋼帶提高整體支護性能。沿空留巷補強支護錨索長度為10.3 m，按照錨索2%的延展率，錨索自身延展長度可以達200 mm，完全能滿足頂板下沉變形量。通過頂底板移近量統計分析，沿空留巷頂底板移近量在0～125 mm 范圍內，故取消原設計中的恒阻器，可以節約40.4 萬元。

3.2 擋矸支護

開采初期5301 巷架后擋矸支護，按照設計利用29U型鋼和單體液壓支柱間隔支設，U型鋼和單體間距為0.25 m，在采空區初次垮塌后，發現有較大的矸石對U型鋼和單體支柱沖擊，造成U型鋼和單體變形，單體損壞率達40%，并且很多U型鋼的上部被采空區塌落的矸石擠出，影響了巷道的有效斷面，未能起到有效的擋矸支護。

為此進行了多次改進，最終采取了將擋矸單體液壓支柱和U型鋼并排支設，間距0.5 m，將U型鋼凹面向巷道，利用0.8 m 長的π型梁垂直巷道布置，π型梁卡在U型鋼的凹面內，頂住U型鋼，經過試驗，擋矸效果非常明顯，經過統計單體的損壞率下降到了2%以內。改進后的擋矸支護見圖5。

圖5 改進后的擋矸支護

通過多次的改進，在擋矸支護方面取得了很好的效果，有效的擋住采空區矸石，保障了巷道的斷面要求，并且單體的損壞率從40%減少到3%以內，該項改進能節約單體費用53.2 萬元。

3.3 沿空留巷頂板支護

5301 巷沿空留巷頂板支護，采用單體液壓支柱配π型梁的支護方式，沿走向支設5 列單體液壓支柱，排距為1.0 m，配合使用0.8 m 長的π型梁，一梁一柱支護頂板，支設長度不少于200 m。

第一列單體液壓支柱距煤壁0.7 m；為了方便回撤穩定區的單體支柱，能通過人力推車運輸單體，減少勞動強度，將第二列單體液壓支柱與第一列單體液壓支柱間距由原設計的0.8 m 調整到1.7 m；第三列單體液壓支柱與第二列間距為0.9 m，第四列柱單體液壓支柱與第三列間距為0.8 m；第五列為切頂留巷擋矸側單體液壓支柱，柱距0.5 m，距29U型鋼0.4 m，配合使用0.8 m 長的π型梁。靠近采空區需要加密單體支護，并且沿空留巷至少保證200 m 的滯后支護，工作面開采推過200 m 后，就可以隨采隨回撤工作面采空區側200 m 以外沿空留巷的單體。同時，在相對穩定區域內保留巷道靠近采空區一側的一排單體，能有效減少頂板的下沉量。在回撤單體時按20～30 m 間距留設2 根單體作為壓力觀測單體柱，以便隨時掌握沿空留巷頂板壓力變化情況，見圖6。

圖6 沿空留巷頂板支護

沿空留巷的頂板支護有效地利用了采空區的穩定區，盡可能增加了單體的重復使用率，在留設的單體監測頂板壓力數據穩定后才回撤單體，對8301 面的沿空留巷頂板起到了積極的主動支護，沒有出現頂板下沉嚴重的情況，有效保證了巷道高度。

4 無煤柱開采工藝試驗

4.1 無煤柱的開采設備布置要求

無煤柱開采和常規綜采工作面設備布置不一樣。沿空留巷側不能設置端頭支架，以免損壞沿空留巷的支護，并且皮帶運輸順槽只能布置在開采工作面的非沿空留巷順槽，避免了切頂預裂爆破對設備的影響。

在第二個工作面設備布置時，由于上一個面的沿空留巷部分巷道寬度不足，需要將設備列車布置在運輸順槽中，電纜的布置需要穿過工作面電纜槽到皮帶順槽給轉載機、破碎機和刮板運輸機供電，可以采用設備列車加電纜拖車的方式解決輔運順槽的電纜吊掛和移動問題。

4.2 開采的管理要求

由于三盤區煤層走向是北部高南部低，所有工作面普遍為皮帶順槽高，輔運順槽低，開采過程中工作面設備容易向輔運順槽滑動。在開采過程中需要特別注意刮板輸送機機頭、機尾的動向，以及支架的橫向位移動向，可以采用人工調斜的方式，將工作面尾部超前工作面頭部割煤5 m 左右，杜絕工作面設備向輔運順槽移動。該盤區屬于整個盤區連續無煤柱開采時，在開采第二個無煤柱工作面面時，對沿空留巷的采空區進行噴漿封堵，減少漏風和隔絕有害氣體。

4.3 超前支護管理要求

由于5301 巷進行了超前切頂預裂，5301 巷超前壓力非常小，可以減少一列超前支護單體，減少單體投入和人工勞動強度。開采接替面時在進入上一個工作面的沿空留巷前50 m 至超過上一個工作面開切眼20 m 內，皮帶順槽的超前壓力比較集中，需要加強皮帶順槽的超前支護，可以采用一梁三柱支護，柱距需要適當減少，同時加快開采速度，快速通過該區域。

5 結論

1）針對綜采工作面堅硬頂板切頂預裂爆破，可通過在預裂孔底部增加一到兩卷炸藥量，孔口適當減少一到三卷炸藥量，過硐室時少裝一根聚能管，能有效的確保預裂孔頂部有一定的破碎程度，減少孔口的爆坑，避免了對沿空留巷巷道原有支護的影響，5301 巷支架后方采空區三角懸板從走向長改進前的20 m 減少到10 m 左右，有時能減少到5 m以內，對沿空留巷的三角懸板起到非常好的控制作用。

2）綜采工作面堅硬頂板沿空留巷支護方面，開采8301 工作面就可在直接材料費方面減少93.6 萬元。而且為備采面創造了良好的條件，同時減輕了工人大量的勞動強度，通過8301、8306 工作面開采效果非常好，沿空留巷的頂板下沉量在0～125 mm，完全在可控范圍。

3）由于8301 工作面的5301 巷比2301 巷平均高4 m，局部高8 m，在開采工藝方面采用人工調斜方式，5301 巷推進要比2301 巷推進超前5 m 左右，同時要調整拉架順序，能有效控制工作面刮板輸送機和支架的動向，可控制工作面的平直開采。