曙光煤礦切頂卸壓無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)研究

張永和

（山西汾西礦業(yè)曙光煤礦，山西 孝義 032300）

1 工程概況

山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限公司曙光煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要采用第二、第三煤層煤，巷道使用矩形截面，巷道當(dāng)前的高度與煤層自身的厚度相同。1226工作面的開(kāi)采走向長(zhǎng)度1 562 m，傾向長(zhǎng)度176 m，所采2 號(hào)煤層的平均厚度為2.85 m。1226 工作面采用切頂卸壓無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)回采，如圖1 所示。

圖1 1226 工作面運(yùn)巷切頂卸壓無(wú)煤柱開(kāi)采示意圖

2 原巷道支護(hù)形式

當(dāng)前曙光煤礦1226 運(yùn)輸巷使用的是“錨網(wǎng)索梁”混合支護(hù)形式。

頂板支架：頂板螺栓名稱(chēng)為20mm×2 400 mm 左旋螺紋鋼螺栓，頂板螺栓排列間的距離為850 mm×1 000 mm，每排有6 個(gè)螺栓。頂板螺栓用4 500 mm 鋼龍骨緊固，而鋼龍骨則用Φ16 mm 不銹鋼固定。兩側(cè)的頂角螺栓在水平線上呈75°對(duì)齊。中間的4 個(gè)螺栓豎立在頂板上，并以矩形排列。MSK2355 和MSZ2355 用作頂板螺栓的錨固機(jī)構(gòu)。頂板錨索布置在兩排螺栓之間。在第一行中，將點(diǎn)狀電纜放置在距通道中央約1 000 mm的左側(cè)和右側(cè)，與錨定電纜的距離為2 000 mm；第二行在通道中間放置地腳螺栓，兩行用手指旋轉(zhuǎn)。錨纜使用Φ21.6 mm×6 500 mm的鋼絞線及支撐錨。錨索需要選擇MSK2355、MSK2355 及MSZ2355。要安裝錨定機(jī)構(gòu)，先安裝一卷MSK2355，然后再安裝一卷MSK 2355，最后再安裝一卷MSZ2355。最長(zhǎng)的錨索由尺寸為300 mm×300 mm×12 mm的方形鐵板支撐。

兩側(cè)支撐：左右兩排均由4 個(gè)規(guī)格20 mm×2 400 mm的左旋螺紋鋼螺栓支撐。3 個(gè)長(zhǎng)螺栓由鋼帶支撐，規(guī)格為L(zhǎng)=1 900 mm。鋼帶為Φ14 mm 不銹鋼，螺栓以矩形和垂直排列。下部錨桿由400 mm×280 mm的W 鋼帶支撐，鋼帶水平放置，錨桿以與道路側(cè)面呈75°的方式放置在底部，螺栓與錨桿之間距離路邊850 mm×1 000 mm。點(diǎn)錨電纜鋪設(shè)在通道右側(cè)的煤幫邊界處。固定電纜與路徑的右側(cè)呈75°，其和電纜線之間的距離為2 m。錨索由Φ21.6 mm×6 500 mm鋼絞線及300 mm×300 mm×12 mm 方鐵板支撐。主金屬網(wǎng)則選擇1 100 mm×2 800 mm 和1 100 mm×5 000 mm 菱形的金屬網(wǎng)。網(wǎng)格覆蓋在100 mm 處，每150 mm 用鐵絲網(wǎng)連接一次。金屬絲網(wǎng)布置方式有3種。鋼網(wǎng)選擇16 號(hào)導(dǎo)線。1226 運(yùn)輸車(chē)道當(dāng)前的永久支撐如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 運(yùn)輸巷原支護(hù)斷面圖（單位：mm）

3 沿空成巷切頂方案設(shè)計(jì)

在本文研究過(guò)程中，1226 運(yùn)輸巷選擇的基本設(shè)計(jì)原理是“頂板切割和壓力修復(fù)+錨索的恒定阻力和多變形支撐”，通過(guò)預(yù)裂和開(kāi)槽爆破，將工作頂板的應(yīng)力傳遞到表面部分切斷，并減小通道頂部的壓力。預(yù)裂爆破可以有效保護(hù)道路頂板的完整性。使用恒定電阻和多次變形的錨索，可以避免巷道頂板不斷下沉，在進(jìn)行支護(hù)時(shí)提升圍巖自身的強(qiáng)度，導(dǎo)致巷道出現(xiàn)變形的問(wèn)題，并確保通道支護(hù)的影響[1]。因此，按照過(guò)去施工經(jīng)驗(yàn)及意見(jiàn)，設(shè)置了具體的設(shè)計(jì)方案。

3.1 頂板預(yù)裂切縫的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)1226 運(yùn)輸巷的頂板巖性，碎脹系數(shù)k=1.3、頂板深度0.15 m、高程0.10 m，忽略頂板沉降和底板沉降，采煤高度2.85 m，計(jì)算的煤層厚度h 為8.7 m，并在高度上將計(jì)算結(jié)果合并在一起，因此，將預(yù)分割的槽深度基線繪制為h=9.0 m。根據(jù)1226 工作面輸送巷一側(cè)的煤層和覆蓋層的情況，以及確定的槽基線和巷道頂板的巖性分布，確定1226 工作面支護(hù)技術(shù)的實(shí)施。最終方案是1226 運(yùn)輸巷的切孔距運(yùn)輸巷側(cè)壁150 mm的距離，切面和管道存在的夾角是15°，切距之間的寬度需要保持在600 mm，切割的厚度則需要保持在10.0 m，施工位置距離工作面至少50 m，具體計(jì)算如公式（1）：

式中：H縫為預(yù)裂切縫深度；H煤為工作面煤層平均厚度（或采高）；ΔH1為頂板下沉量；ΔH2為底板鼓起量；k 為碎脹系數(shù)，1.3～1.5。

3.2 恒阻大變形錨索相關(guān)的設(shè)計(jì)方案

為了確保在恒定重量和構(gòu)成路徑周?chē)牡膹?qiáng)度期間運(yùn)輸巷1226 頂板的切割強(qiáng)度，使用恒定阻力和多次變形的錨索加固頂板，預(yù)分割和切割頂板。為了將錨索懸掛在上升的堅(jiān)硬巖石上并確保錨索的錨固力，必須繪制錨索的長(zhǎng)度不少于h+2.0 m+裸露長(zhǎng)度（0.3 m）。考慮到頂板巖石分布和巷道的原始支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，恒電阻錨索的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為12.3 m，比施工前工作面長(zhǎng)100 m。具體的支持與礦山的壓力行為相吻合。面對(duì)運(yùn)輸和物料流，布置了兩排具有恒定阻力和創(chuàng)新能力的錨索。第一排恒定電阻錨索距煤層400 mm（距煤側(cè)壁550 mm），排距為1 000 mm；第二排的中心線距離固體煤側(cè)200 mm，排距為2 000 mm。固定電阻錨的相鄰電纜連接到3 mm×280 mm的W鋼帶上（平行于巷道）。恒阻柔性大的錨索直徑為21.8 mm，恒阻裝置的長(zhǎng)度為450 mm、直徑為85 mm，恒阻值為32 t，預(yù)載力不小于25 t。

4 具體效果的監(jiān)督和檢測(cè)

4.1 恒阻錨索載荷進(jìn)行的監(jiān)測(cè)

錨索測(cè)力計(jì)主要是對(duì)恒定電阻錨索當(dāng)前的負(fù)載進(jìn)行計(jì)算。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)設(shè)置4 個(gè)測(cè)力機(jī)。在礦山附近和煉油廠附近的一側(cè)找到了兩條錨索，取兩個(gè)讀數(shù)的平均值。具體的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3 所示。將工作表面推到測(cè)量點(diǎn)時(shí)，恒定電阻錨的力與250 kN的預(yù)緊力相同。將被推動(dòng)的表面推至測(cè)量刻度后，錨索的恒定電阻強(qiáng)度不斷提升，最終實(shí)現(xiàn)平衡標(biāo)準(zhǔn)。在固體煤壁周邊具備恒定電阻的一種錨索載荷達(dá)到了311 kN，在采礦側(cè)附近錨索的載荷比負(fù)荷為315 kN 煤壁的載荷略小。在工作之后的一定范圍內(nèi)，錨索上的負(fù)載繼續(xù)增加，并隨后超過(guò)了錨索的破壞極限。可以看出，恒定阻力和大變形錨索工作面的情況十分理想，其對(duì)于圍巖強(qiáng)度的保持有著重要的作用[2]。

圖3 巷道圍巖表面位移觀測(cè)情況的結(jié)果圖

4.2 巷道表面位移量監(jiān)測(cè)

為了研究巷道圍巖的完整性，在1226 運(yùn)輸巷內(nèi)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)了巷道的回縮量，并在圖4 中將所示的結(jié)果分開(kāi)。距分界點(diǎn)0～300 mm 范圍內(nèi)，底板回縮很少，平均約0.65 m2；在距該點(diǎn)300～800 m 范圍內(nèi)，抗?fàn)恳Ч浅：谩５装逦灰迫钥刂圃谧罴逊秶稍诔Ｒ?guī)維修后使用[3]。

圖4 巷道變形情況監(jiān)督和檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，運(yùn)用切頂卸壓無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)后，大變形錨索的恒定抗力處于良好的應(yīng)力狀態(tài)，收斂性好，巷道斷面控制在合理范圍內(nèi)，且經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的修復(fù)就能夠滿足斷面要求。