切頂卸壓留小煤柱護巷技術研究與應用

高海明

（山西華潤聯盛能源投資有限公司，山西省 呂梁市 033000）

0 引 言

目前，我國煤炭井下開采保護煤柱多為寬保護煤柱，一般為20～40 m 之間，甚至個別情況可以達到50 m 左右，甚至更大。寬保護煤柱的留設會造成大量的煤炭資源浪費。據統(tǒng)計區(qū)段保護煤柱損失比例約占礦井總地質儲量的10%～30%。

減小煤柱損失提高煤炭資源回收率是實現煤炭綠色開采有效途徑之一。目前，煤礦井下常用的減小煤柱損失方法有沿空留巷和留小煤柱護巷2 種。沿空留巷在條件較好的薄及中厚煤層已日趨完善，但在厚煤層放頂煤和大采高開采中還未得到廣泛的推廣應用。沿空留巷與留小煤柱護巷相比而言，存在施工工藝復雜、輔助運輸量大的缺點。且小煤柱可以起到擋矸、防漏風的作用。因此，留小煤柱護巷技術近幾年得到了國內外煤炭行業(yè)的高度重視。

常規(guī)留小煤柱護巷是將巷道布置在采空區(qū)邊緣應力降低區(qū)內或巷道開挖后使煤柱處于應力降低區(qū)，小煤柱寬度一般在3～10 m 左右，由于小煤柱已全部進入塑性破裂狀態(tài)，承載能力低，支護難度大，實踐表明留小煤柱護巷需要進行多次維護，從而限制了留小煤柱沿空掘巷在我國更廣泛地推廣應用。巷道圍巖穩(wěn)定性控制的基本途徑是降低巷道圍巖應力和選取合理的支護方式。目前小煤柱護巷主要通過后者的強支護措施來控制圍巖的大變形，本文結合付家焉煤業(yè)10102 回風順槽實際工況，突破以往常規(guī)的以強支護為主的圍巖控制手段，基于切頂卸壓原理，放頂煤開采留小煤柱巷道（10103 運輸順槽）圍巖的有效控制。即在回采工作面順槽通過定向預裂切縫爆破，切斷頂板應力傳遞路徑，減弱巷道頂板壓力，從而降低煤柱載荷，為實現留設小煤柱護巷創(chuàng)造條件。

1 采掘方法與開采現狀

付家焉煤業(yè)10 號煤層采用綜采放頂煤采煤方法， 全部垮落法管理頂板。 工作面選用MG200/475-W 型采煤機、SGZ764/264 型刮板輸送機、ZFS6200/18/35 型綜放液壓支架、ZZG7500/22/45型端頭支架支護。煤層回采巷道尺寸及支護方式具體如下：

1）10 號煤膠帶順槽寬×高為：4.8 m×3.2 m，凈面積13.69 m2，掘進斷面15.36 m2，采用錨網索支護。

2）10 號煤回風順槽寬×高為：3.5 m×2.3 m，凈面積8.05 m2，掘進斷面8.05 m2，采用錨網索支護。

3）10 號煤進風順槽寬×高為：3.5 m×3 m，凈面積9.19 m2，掘進斷面10.05 m2，采用錨網索支護。

4）10 號煤開切眼寬×高為：7.5 m×3 m，凈面積20.19 m2，掘進斷面22.5 m2，采用錨網索支護。

10 號煤合并采區(qū)內工作面采用跳躍式接替。

2 工作面概況

2.1 工作面和工作面采掘關系

付家焉煤業(yè)10102 回采工作面長度為185 m，煤層平均厚5.7 m，采高3 m，放頂煤高度2.7 m。機采工作面一次截深為0.6 m，采放關系為兩采一放，循環(huán)進度為1.2 m，日循環(huán)3 個，生產班每班1 個循環(huán)，設檢修班，日推進度為1.2×3＝3.6 m。工作面布置如圖1 所示。

圖1 10102 綜放工作面布置圖

10103 工作面運輸順槽位于10102 工作面東側，沿底掘進。矩形斷面，巷道寬×高=5 000 mm×3 400 mm，斷面積S= 17.00 m2，采用錨網梁+錨索補強支護。

煤層自燃傾向Ⅱ級；最短自燃發(fā)火期84 d。

煤塵爆炸性：具有爆炸危險性。

2.2 工作面10 號煤層頂底板巖性

在一采區(qū)內距離10102 工作面較近的鉆孔有2個，分別是86 號和503 號鉆孔，均位于10101 工作面內，其位置見圖2 所示。 通過鉆孔柱狀圖可知，86 號鉆孔中10 號煤層埋深363 m，厚7.03 m，其頂板依次為1.85 m 厚的細砂巖、3.74 m 粉砂巖、6.98 m中砂巖、3.19 m 粉砂巖、0.86 m 厚的8 號煤、5.23 m石灰?guī)r等；其底板依次為2 m 砂質泥巖、1.41 m 細砂巖和10.75 m 砂質泥巖。503 鉆孔中10 號煤層埋深519.5 m，厚4.3 m，其頂板依次為7.2 m 厚的細砂巖、4 m 中砂巖、2 m 泥巖、4 m 砂質泥巖、5.5 m 石灰?guī)r等；其底板依次為6.5 m 泥巖、9 m 砂質泥巖等。

圖2 86 號鉆孔與503 號鉆孔位置

2.3 工作面回風順槽概況

10102 回風巷布置在10 號煤層，從運煤聯絡巷G1 點處開口，以0°方位角沿頂板施工49 m，后按270°方位角施工回風繞道，通風系統(tǒng)形成后按-10°坡度施工找10 號煤底板沿10 號煤層底板施工1 414 m 至10102 工作面切眼位置。10102 回風順槽長1 463 m，矩形斷面，寬4.8 m，高3.2 m，斷面積15.36 m2。采用“錨桿+金屬網+錨索+W 鋼帶”支護，臨時支護選用前探梁＋鋼帶＋網片支護。

2.4 工作面開切眼概況

10102 工作面切眼設計長度為185 m（平距），沿10 號煤層底板布置，地層傾角為2°～8°，整體呈走向北北東，傾向北西西的單斜構造。

10102 開切眼寬7.7 m，高3 m，斷面積23.1 m2。切眼采用二次施工，第一次施工寬度4.8 m，第二次擴刷2.9 m。第一次施工時采用錨網索＋鋼帶支護。由于10102 開切眼較寬，擴刷時在巷道中部增加一排DW-31.5 型單體液壓支柱進行加強支護，單體支柱間距為1 600 mm，詳見圖3。

圖3 10102 開切眼平面布置圖

3 10103 運輸順槽支護參數理論計算

10103 運輸順槽沿10 號煤層底板掘進，頂板主要為煤、粉砂巖、中砂巖、石灰?guī)r等，底板為泥巖。巷幫煤的普氏系數fm取0.5，巷幫的似內摩擦角θb= tan-1fm=27°。

式中：h為巷道高度；θb為巷幫的似內摩擦角。

由式（1）計算得運輸順槽（高3.4 m）最大片幫深度為2.0 m。

頂板不穩(wěn)定巖層高度按自然平衡拱高度計算：

式中：hg為頂板自然平衡拱高度，m；α為巷道掘進寬度之半，m；（巷道寬度5 m）；fd為頂板普氏系數。

考慮頂板節(jié)理裂隙影響系數，取頂板普氏系數fd=23。

計算運輸順槽頂板自然平衡拱高度為1.96 m。

巷道頂壓按式（3）計算：

式中：Qd為巷道頂壓，kN/m；γd為頂板巖體容重，取26 kN/m3。

計算得運輸順槽頂壓為305.2 kN/m。

巷道側壓按式（4）計算：

式中：Qc為巷道側壓，kN/m；γd為巷幫巖體的容重，取14.4 kN/m3；b為頂板自然平衡拱高度（hg），m。

計算得運輸順槽巷幫側壓為69.6 kN/m。

4 10103 運輸順槽錨桿支護設計方案

運輸順槽沿10 號煤底板掘進。矩形斷面，寬×高=5 000 mm×3 400 mm，斷面面積S=17.00 m2。具體支護方案如下：

4.1 頂板支護

頂板支護采用：錨桿+金屬網+W 鋼帶+錨索補強聯合支護。

4.1.1 頂錨桿

錨桿形式和規(guī)格：桿體為MG335 型φ22 mm 高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，屈服載荷127 kN，破斷載荷186 kN，長度2 400 mm，桿尾螺紋M24。

錨桿錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1.68 m，實際錨固力221 kN（錨固在頂板煤層中，取粘結強度1.5 MPa），錨固力富余系數為1.74。

頂錨桿預緊力矩：不小于300 N·m（軸向預緊力約≥40 kN）；錨桿錨固力：不小于120 kN。

錨桿布置：頂部每排布置6 根，間排距為900 mm×800 mm，靠近幫的距幫250 mm。

4.1.2 頂錨索

錨索形式和規(guī)格：采用φ21.6 mm 的1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線（材料強度1 860 MPa），屈服載荷466 kN，破斷載荷530 kN，長度為7 500 mm。

錨索等間距布置，每排3 根，排距為1 600 mm，間距1 600 mm，距幫900 mm，錨索垂直巷道頂板。

錨索錨固方式：樹脂端頭錨固采用3 支錨固劑，錨固長度2.58 m，錨固力568 kN（錨固在頂板巖石中，取粘結強度2.5 MPa），錨固力富余系數為1.21。

錨索預緊力：不低于200 kN（錨索預緊力為其屈服力的30%～60%）；錨索錨固力：大于300 kN。

4.2 巷幫支護

兩幫支護采用：錨桿（配W 鋼護板）＋金屬網＋鋼筋梁+錨索補強聯合支護。

4.2.1 兩幫錨桿

錨桿桿體：采用MG335 型φ22 mm 高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，屈服載荷127 kN，破斷載荷186 kN，長度2 400 mm，桿尾螺紋M24。

錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1.68 m，實際錨固力221 kN，錨固力富余系數為1.74。

預緊力不小于300 N·m（軸向預緊力≥40 kN）；錨固力不小于120 kN。

錨桿布置：每排5 根錨桿，間排距為750 mm×800 mm。起錨高度250 mm，靠近頂板的一根幫錨桿距頂板150 mm。

4.2.2 兩幫錨索補強

錨索形式和規(guī)格：采用φ17.8 mm 的1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線（材料強度為1 860 MPa），屈服載荷311 kN，破斷載荷355 kN，長度5 300 mm。

錨索布置：采用“1-1-1”布置，排距800 mm，一排距離頂板1 275 mm，一排距離底板1 375 mm，錨索與巷幫垂直。

錨索錨固方式：樹脂端頭錨固，采用3 支錨固劑，1 支規(guī)格為MSK2335，另2 支規(guī)格為MSZ2360，鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1.76 m，實際錨固力為232 kN。

錨索托盤采用U29 型鋼壓兩側鋼帶支護，長度1 100 mm，加球型墊圈；錨索預緊力不低于100 kN；錨索錨固力大于220 kN。

5 結論

1）10103 運輸順槽（高3.4 m）的最大片幫深度為2.0 m，頂板自然平衡拱高度為1.96 m。運輸順槽的頂板壓力為305.2 kN/m，巷幫側壓為69.6 kN/m；

2）運輸順槽的頂錨桿長度不小于2.4 m，頂錨桿間、排不大于0.91 m。頂錨桿的設計錨固力不小于100 kN；頂錨索長度不小于7.3 m，若每排布置3 根錨索，安全系數不小于1.5 的話，頂錨索排距不大于1.98 m。需要注意得是，為了保持小煤柱的穩(wěn)定及有效得控制巷道的圍巖變形，需在運輸順槽煤柱幫與回采幫進行錨索補強支護；

3）運輸順槽頂板和兩幫采用錨索補強。頂板錨索采用φ21.6 mm 的1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度7 500 mm，等間距布置，每排3 根，排距1 600 mm，間距1 600 mm，距幫900 mm，錨索垂直巷道頂板，采用U29 型鋼壓兩側鋼帶支護，長度1 100 mm；兩幫錨索采用φ17.8 mm 的1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度為5 300 mm，采用“1-1-1”布置，一排錨索距頂板1 275 mm，一排錨索距底板1 375 mm，排距800 mm，采用U29 型鋼壓兩側鋼帶支護，長度1 100 mm。

6 效益分析

通過對付家焉煤業(yè)10102 回風順槽切頂卸壓留小煤柱護巷技術研究，實現放頂煤開采留小煤柱巷道（10103 運輸順槽）圍巖的有效控制，大大提高采區(qū)的回采效率，使礦井的服務年限得到延長。該項目煤柱留設寬度在6～10 m，目前10 號煤層煤柱寬度為30 m，按照可縮小煤柱寬度約20 m 計算，煤層厚度按照平均6.5 m，單位體積重量按照1.4 t/m3，工作面推進長度取1 400 m，回采率按0.93 計算。則每個區(qū)段煤柱可多回收煤炭約23.7 萬t。煤炭利潤按照300 元/t 計算，則一個工作面增加利潤約7 110 萬元。同時，留小煤柱后可減少施工一條低位抽采巷，如果掘進成本按照5 000 元/m 來計算的話，掘巷總費用為700 萬。因此，通過該切頂卸壓留小煤柱護巷項目的實施，經濟效益可達到7 810 萬元，從而實現煤炭安全高效開采。