切頂卸壓留小煤柱護(hù)巷技術(shù)研究與應(yīng)用

高海明

（山西華潤聯(lián)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(hù)煤柱多為寬保護(hù)煤柱，一般為20～40 m 之間，甚至個別情況可以達(dá)到50 m 左右，甚至更大。寬保護(hù)煤柱的留設(shè)會造成大量的煤炭資源浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計區(qū)段保護(hù)煤柱損失比例約占礦井總地質(zhì)儲量的10%～30%。

減小煤柱損失提高煤炭資源回收率是實(shí)現(xiàn)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(hù)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(yīng)用。沿空留巷與留小煤柱護(hù)巷相比而言，存在施工工藝復(fù)雜、輔助運(yùn)輸量大的缺點(diǎn)。且小煤柱可以起到擋矸、防漏風(fēng)的作用。因此，留小煤柱護(hù)巷技術(shù)近幾年得到了國內(nèi)外煤炭行業(yè)的高度重視。

常規(guī)留小煤柱護(hù)巷是將巷道布置在采空區(qū)邊緣應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)或巷道開挖后使煤柱處于應(yīng)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(jìn)入塑性破裂狀態(tài)，承載能力低，支護(hù)難度大，實(shí)踐表明留小煤柱護(hù)巷需要進(jìn)行多次維護(hù)，從而限制了留小煤柱沿空掘巷在我國更廣泛地推廣應(yīng)用。巷道圍巖穩(wěn)定性控制的基本途徑是降低巷道圍巖應(yīng)力和選取合理的支護(hù)方式。目前小煤柱護(hù)巷主要通過后者的強(qiáng)支護(hù)措施來控制圍巖的大變形，本文結(jié)合付家焉煤業(yè)10102 回風(fēng)順槽實(shí)際工況，突破以往常規(guī)的以強(qiáng)支護(hù)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(yùn)輸順槽）圍巖的有效控制。即在回采工作面順槽通過定向預(yù)裂切縫爆破，切斷頂板應(yīng)力傳遞路徑，減弱巷道頂板壓力，從而降低煤柱載荷，為實(shí)現(xiàn)留設(shè)小煤柱護(hù)巷創(chuàng)造條件。

1 采掘方法與開采現(xiàn)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(jī)、SGZ764/264 型刮板輸送機(jī)、ZFS6200/18/35 型綜放液壓支架、ZZG7500/22/45型端頭支架支護(hù)。煤層回采巷道尺寸及支護(hù)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(jìn)斷面15.36 m2，采用錨網(wǎng)索支護(hù)。

2）10 號煤回風(fēng)順槽寬×高為：3.5 m×2.3 m，凈面積8.05 m2，掘進(jìn)斷面8.05 m2，采用錨網(wǎng)索支護(hù)。

3）10 號煤進(jìn)風(fēng)順槽寬×高為：3.5 m×3 m，凈面積9.19 m2，掘進(jìn)斷面10.05 m2，采用錨網(wǎng)索支護(hù)。

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

10 號煤合并采區(qū)內(nèi)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(guān)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(jī)采工作面一次截深為0.6 m，采放關(guān)系為兩采一放，循環(huán)進(jìn)度為1.2 m，日循環(huán)3 個，生產(chǎn)班每班1 個循環(huán)，設(shè)檢修班，日推進(jìn)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(yùn)輸順槽位于10102 工作面東側(cè)，沿底掘進(jìn)。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(wǎng)梁+錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

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?shù)装鍘r性

在一采區(qū)內(nèi)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(nèi)，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(xì)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(zhì)泥巖、1.41 m 細(xì)砂巖和10.75 m 砂質(zhì)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(xì)砂巖、4 m 中砂巖、2 m 泥巖、4 m 砂質(zhì)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(zhì)泥巖等。

圖2 86 號鉆孔與503 號鉆孔位置

2.3 工作面回風(fēng)順槽概況

10102 回風(fēng)巷布置在10 號煤層，從運(yùn)煤聯(lián)絡(luò)巷G1 點(diǎn)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(fēng)繞道，通風(fēng)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(fēng)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(wǎng)+錨索+W 鋼帶”支護(hù)，臨時支護(hù)選用前探梁＋鋼帶＋網(wǎng)片支護(hù)。

2.4 工作面開切眼概況

10102 工作面切眼設(shè)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(gòu)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(kuò)刷2.9 m。第一次施工時采用錨網(wǎng)索＋鋼帶支護(hù)。由于10102 開切眼較寬，擴(kuò)刷時在巷道中部增加一排DW-31.5 型單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，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(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)理論計算

10103 運(yùn)輸順槽沿10 號煤層底板掘進(jìn)，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(shù)fm取0.5，巷幫的似內(nèi)摩擦角θb= tan-1fm=27°。

式中：h為巷道高度；θb為巷幫的似內(nèi)摩擦角。

由式（1）計算得運(yùn)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(jìn)寬度之半，m；（巷道寬度5 m）；fd為頂板普氏系數(shù)。

考慮頂板節(jié)理裂隙影響系數(shù)，取頂板普氏系數(shù)fd=23。

計算運(yùn)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(yùn)輸順槽頂壓為305.2 kN/m。

巷道側(cè)壓按式（4）計算：

式中：Qc為巷道側(cè)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(yùn)輸順槽巷幫側(cè)壓為69.6 kN/m。

4 10103 運(yùn)輸順槽錨桿支護(hù)設(shè)計方案

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

4.1 頂板支護(hù)

頂板支護(hù)采用：錨桿+金屬網(wǎng)+W 鋼帶+錨索補(bǔ)強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)。

4.1.1 頂錨桿

錨桿形式和規(guī)格：桿體為MG335 型φ22 mm 高強(qiáng)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(shí)際錨固力221 kN（錨固在頂板煤層中，取粘結(jié)強(qiáng)度1.5 MPa），錨固力富余系數(shù)為1.74。

頂錨桿預(yù)緊力矩：不小于300 N·m（軸向預(yù)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(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線（材料強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度2.5 MPa），錨固力富余系數(shù)為1.21。

錨索預(yù)緊力：不低于200 kN（錨索預(yù)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(hù)

兩幫支護(hù)采用：錨桿（配W 鋼護(hù)板）＋金屬網(wǎng)＋鋼筋梁+錨索補(bǔ)強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)。

4.2.1 兩幫錨桿

錨桿桿體：采用MG335 型φ22 mm 高強(qiáng)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(shí)際錨固力221 kN，錨固力富余系數(shù)為1.74。

預(yù)緊力不小于300 N·m（軸向預(yù)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(bǔ)強(qiáng)

錨索形式和規(guī)格：采用φ17.8 mm 的1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線（材料強(qiáng)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(shí)際錨固力為232 kN。

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

5 結(jié)論

1）10103 運(yùn)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(yùn)輸順槽的頂板壓力為305.2 kN/m，巷幫側(cè)壓為69.6 kN/m；

2）運(yùn)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(shè)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(shù)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(yùn)輸順槽煤柱幫與回采幫進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；

3）運(yùn)輸順槽頂板和兩幫采用錨索補(bǔ)強(qiáng)。頂板錨索采用φ21.6 mm 的1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)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(cè)鋼帶支護(hù)，長度1 100 mm；兩幫錨索采用φ17.8 mm 的1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)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(cè)鋼帶支護(hù)，長度1 100 mm。

6 效益分析

通過對付家焉煤業(yè)10102 回風(fēng)順槽切頂卸壓留小煤柱護(hù)巷技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)放頂煤開采留小煤柱巷道（10103 運(yùn)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(wù)年限得到延長。該項(xiàng)目煤柱留設(shè)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(jìn)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(jìn)成本按照5 000 元/m 來計算的話，掘巷總費(fèi)用為700 萬。因此，通過該切頂卸壓留小煤柱護(hù)巷項(xiàng)目的實(shí)施，經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)到7 810 萬元，從而實(shí)現(xiàn)煤炭安全高效開采。