裴韶華

（太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司安全監(jiān)察局 山西太原030006）

0 引言

傳統(tǒng)的留設(shè)煤柱開(kāi)采方法不但會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)，而且煤柱處形成較大面積的頂板巖層懸頂，懸頂過(guò)大會(huì)造成煤柱及柱旁巷道的應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致巷道變形過(guò)大，容易發(fā)生失穩(wěn)，出現(xiàn)安全事故[1]。因此，提出了針對(duì)柱旁巷道進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷技術(shù)研究，不但可以保證巷道的穩(wěn)定，而且可以實(shí)現(xiàn)更快捷的通風(fēng)方式[2,3]?，F(xiàn)針對(duì)東河煤礦2206軌道巷道進(jìn)行沿空留巷技術(shù)研究，進(jìn)而優(yōu)化沿空留巷的支護(hù)方式，保證運(yùn)輸巷道的圍巖穩(wěn)定，進(jìn)而保證工作面的安全回采。

1 工程概況

1.1 工作面概況

東河煤礦為太原煤炭氣化有限責(zé)任公司下屬煤炭企業(yè)，礦井生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t/a。所采2號(hào)煤層煤塵有爆炸性，平均厚度為1.91 m。2206運(yùn)輸巷道位于二采區(qū)西南部，工作面東北部為東大巷，東南部為未采實(shí)體煤，西北部為2208工作面，西南部為碾溝村保安煤柱。2206工作面所采煤層平均厚度為1.91 m，平均傾角2°，工作面走向長(zhǎng)度為532 m，傾向長(zhǎng)度為200 m。工作面采用后退式一次采全高走向長(zhǎng)壁全部垮落綜合機(jī)械化采煤法，工作面的支護(hù)為型號(hào)為ZY-3200/12/26兩柱掩護(hù)式液壓支架。2206工作面運(yùn)輸巷道進(jìn)行切頂卸壓無(wú)煤柱開(kāi)采施工，留巷長(zhǎng)度425 m，2206工作面頂?shù)装鍘r性柱狀示意圖如圖1所示。

圖1 2206運(yùn)輸巷道頂板鉆孔巖性柱狀圖

1.2 巷道原支護(hù)方式

2206運(yùn)輸巷道沿煤層頂板掘進(jìn)。長(zhǎng)度532 m，為矩形斷面，掘進(jìn)寬度3.8 m，掘進(jìn)高度2.4 m。采用錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂板采用五排錨桿支護(hù)，其中中間三排錨桿垂直巷道頂板布置，兩側(cè)錨桿與巷道頂板成75°布置，托板為斜托板；頂板每隔3.2 m打1根錨索（位置：巷道中心線）；兩幫采用錨桿+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，兩幫成五花眼布置。巷道頂板較破碎時(shí)，采用縮小錨桿排距、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。巷道支護(hù)圖如圖2所示。

圖2巷道原支護(hù)方式

采用110工法后，巷道受到頂板巖層壓力傳遞導(dǎo)致圍巖變形量大、成型差，原支護(hù)方式部分失效，無(wú)法滿足工作面的安全回采需求。為了保證2206工作面運(yùn)輸巷道的安全穩(wěn)定，需針對(duì)其頂板巖層進(jìn)行切頂卸壓，并進(jìn)行支護(hù)方式優(yōu)化，保證巷道的安全穩(wěn)定。

2 頂板預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)方案

2.1 切縫高度設(shè)計(jì)

工作面煤層回采以后，直接頂首先發(fā)生離層和垮落，與沿空留巷側(cè)向邊界失去力學(xué)關(guān)系，而基本頂在留巷采空區(qū)側(cè)產(chǎn)生很長(zhǎng)距離不宜垮落的懸頂，且對(duì)上覆數(shù)個(gè)軟弱巖層起到支撐作用，對(duì)沿空留巷產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，相應(yīng)地加大了留巷的支護(hù)難度。通過(guò)聚能預(yù)裂爆破，減小了基本頂側(cè)向懸臂的長(zhǎng)度，使巖層斷裂線整體向采空側(cè)轉(zhuǎn)移，可有效緩解留巷圍巖應(yīng)力。

式中：HQ為切頂高度，m；M為煤層厚度，m；K1，K2，···，Km分別為第一層，第二層，···，第m層巖層的碎脹系數(shù)；H1，H2，···，Hm分別為第一層，第二層，···，第m層巖層厚度，m；Kp為巖層平均碎脹系數(shù)，通常為1.3～1.5。

根據(jù)東河煤礦2206工作面現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件可知，煤層厚度m=2.1 m，Kp取1.3，可得：HQ=6.3 m綜合考慮上述計(jì)算結(jié)果及頂板巖性沿走向變化情況，并提高初采階段頂板控制安全系數(shù)，為保證前期施工質(zhì)量，確定留巷巷道里段200 m切頂深度（斜長(zhǎng)）為8 m，垂高7.73 m，同時(shí)作為驗(yàn)證將剩余225 m巷道切頂深度設(shè)計(jì)（斜長(zhǎng)）為7 m，垂高6.76 m。

2.2 切縫角度設(shè)計(jì)

當(dāng)切頂角度較小時(shí)，采空區(qū)側(cè)頂板巖層無(wú)法沿切縫順利垮落，還會(huì)傳遞應(yīng)力，導(dǎo)致巷道的應(yīng)力增高，當(dāng)切頂角度較大時(shí)，沿空留巷上方頂板巖層會(huì)剩余較多，懸臂長(zhǎng)度增加，導(dǎo)致應(yīng)力一定程度上的提高，因此，通過(guò)相似工作面切頂經(jīng)驗(yàn)，取切頂角度為15°時(shí)，卸壓效果最優(yōu)。

2.3 切縫間距設(shè)計(jì)

切頂卸壓時(shí)切縫間距，若頂板巖層為堅(jiān)硬巖層，間距取400 mm～500 mm，頂板巖層為復(fù)合巖層，間距取500 mm～600 mm。東河煤礦2206工作面運(yùn)輸巷道頂板巖層為低強(qiáng)度的復(fù)合頂板，因此間距取500 mm。2206工作面巷道頂板為低強(qiáng)度的復(fù)合頂板，設(shè)計(jì)間距為500 mm。為了達(dá)到更好的留巷效果，設(shè)計(jì)切縫孔位于巷道頂板與正幫夾角處，與水平方向夾角為75°，傾向于回采工作面一側(cè)，切縫孔間距為500 mm。

3 恒阻大變形錨索設(shè)計(jì)方案

根據(jù)相似工作面經(jīng)驗(yàn)，2206工作面運(yùn)輸巷道切頂卸壓采用恒阻大變形錨索支護(hù)進(jìn)行支護(hù)巷道。

頂板恒阻錨索支護(hù)參數(shù)確定

高預(yù)應(yīng)力恒阻錨索采用?21.8 mm高強(qiáng)度鋼絞線，錨索長(zhǎng)度按照以下公式計(jì)算：

式中：L—錨索總長(zhǎng)度，m；La—錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長(zhǎng)度，取1.5 m；Lb—需要懸吊的不穩(wěn)定的煤巖層厚度，取7.2 m、8.2 m(根據(jù)窺孔資料選取)；Lc—安裝、金屬網(wǎng)、托盤及錨具的厚度，取0.06 m；Ld—錨索外露長(zhǎng)度，取0.3 m。

錨索長(zhǎng)度L≥8.76 m、9.76 m

計(jì)算結(jié)果，確定頂板恒阻錨索長(zhǎng)9.3 m和10.3 m。

根據(jù)2206工作面頂部巖性柱狀圖，參考礦方資料，確定恒阻錨索控制范圍內(nèi)巖層平均容重為24 kN/m3，所懸吊不穩(wěn)定巖層厚度為8.5 m，則被懸吊巖石自重按照下式計(jì)算：

式中：B—巷道掘進(jìn)寬度3.8 m；∑h—懸吊巖石厚度，取8.2 m；∑r—懸吊巖石平均容重24 kN/m3；D—錨索間排距，0.8 m。

經(jīng)計(jì)算可知，恒阻錨索懸吊巖石自重為573.3 kN，錨索恒阻力為330 kN，因此恒阻錨索支護(hù)密度至少應(yīng)為1.73根/m,考慮到巷道中的普通錨索、U型鋼架的支護(hù)效應(yīng)，最終確定恒阻錨索支護(hù)密度為1.875根/m。

根據(jù)理論計(jì)算，采用?21.8 mm高強(qiáng)度鋼絞線，頂板恒阻錨索長(zhǎng)10.3 m和9.3 m。恒阻錨索支護(hù)密度為1.875根/m。恒阻器長(zhǎng)450 mm，直徑75 mm～88 mm（上窄下寬），恒阻值為33±2 t，預(yù)緊力不小于25 t。結(jié)合東河煤礦2206工作面運(yùn)輸巷道巖層巖性與原支護(hù)方式，將巷道支護(hù)范圍分為里段和外段。里段采用10.3 m的恒阻錨索，第一列距巷道正幫600 mm，排距800 mm，第二列布置于巷道中線位置，排距為1 600 mm；外段采用9.3 m的恒阻錨索，排距同上。如圖3所示。、

圖3恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)巷道展開(kāi)圖

4 臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)方案

根據(jù)工作面現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將需要臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)的區(qū)域分為三個(gè)，工作面前方30 m為超前支護(hù)區(qū)，架后0 m～200 m為滯后支護(hù)區(qū)，架后200 m往后為巷道穩(wěn)定區(qū)。

（1）超前支護(hù)區(qū)支護(hù)方式

采用礦方現(xiàn)有“一排三柱”支護(hù)方式，采用2.6 mπ型梁，DZ-28單體支柱，梁距800 mm，兩巷超前支護(hù)至少30 m的距離。

（2）架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)支護(hù)方式

采用單體液壓支柱配合π型梁進(jìn)行超后支護(hù)。架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)共布置四列單體，第一列單體距離切縫線200 mm，第二列單體距離第一列單體544 mm，第三列單體距離第二列單體1 050 mm，第四列單體距離第三列1 200 mm。其中第二、三和四列單體共用一根π型梁。單體排距為800 mm。

（3）成巷穩(wěn)定區(qū)支護(hù)方式

該區(qū)將臨時(shí)支護(hù)“一排四柱”變?yōu)椤耙慌湃?，根?jù)礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，再變?yōu)椤耙慌哦?，直至單體支柱全部回撤，只保留U型可縮支架及鋼筋網(wǎng)進(jìn)行擋矸。

5 工業(yè)試驗(yàn)

東河煤礦2206工作面運(yùn)輸巷道采用如上切頂護(hù)巷方案進(jìn)行開(kāi)采留巷，工作面日8循環(huán)，循環(huán)進(jìn)度為0.6 m，日掘進(jìn)速度為4.8 m/d，日產(chǎn)量為2 646 t。為檢驗(yàn)此次研究的效果，在實(shí)施切頂卸壓后2206工作面運(yùn)輸巷道布置測(cè)點(diǎn)，并按十字測(cè)量法測(cè)量運(yùn)輸巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量。記錄并分析數(shù)據(jù)可知，2206工作面運(yùn)輸巷道頂板最大離層高度89 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大125 mm，兩幫相對(duì)移近量最大104 mm。從數(shù)據(jù)分析結(jié)果看，運(yùn)輸巷道能夠正常使用。

2202回風(fēng)巷道巷道掘巷與留巷成本對(duì)比,東河礦采用110工法后，可以少掘進(jìn)一條長(zhǎng)度為460 m的巷道。綜合利潤(rùn)1 192.28萬(wàn)元。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)東河煤礦切頂卸壓2206工作面運(yùn)輸巷道采用原支護(hù)參數(shù)不能滿足留巷的支護(hù)需求；采用理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)確定了切頂卸壓的各項(xiàng)參數(shù)及恒阻大變形錨索具體參數(shù)；并確定了運(yùn)輸巷道臨時(shí)支護(hù)方案參數(shù)，最終進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，不但可以保證軌道巷道的安全使用，而且取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。