干河煤礦中厚煤層無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用研究

張志斌

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 031400）

干河煤礦2#煤層工作面回采巷道均沿煤層頂板擴(kuò)底掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面尺寸寬×高=4.7 m×3.5 m?；夭上锏罃嗝娲?，掘巷速度慢、成本較高，急需采用切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。為此，以2-301 工作面為背景開(kāi)展研究，以解決掘進(jìn)成本較高、接替緊張等問(wèn)題。

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電干河煤礦2-301 綜采工作面主采2#煤層，2#煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）上部。工作面位于三采區(qū)左翼，南側(cè)為采區(qū)邊界，東側(cè)為三采區(qū)三條系統(tǒng)大巷，西側(cè)為井田邊界保護(hù)煤柱，北側(cè)為2-302 接替工作面。工作面黃土覆蓋厚度47.2～59.5 m，基巖厚400.01～409 m，煤層厚度2.0～2.4 m，煤層硬度和韌度較大，節(jié)理不發(fā)育，視密度為1.40 t/m3。工作面整體為走向S63° W、傾向SE 的背斜構(gòu)造，煤層傾角1°～6°，平均3.5°。2-3011 巷長(zhǎng)555 m，2-3012 巷長(zhǎng)473 m，可采走向長(zhǎng)度445 m。工作面兩側(cè)回采巷道掘巷期間采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，2-3011 巷作為運(yùn)煤、進(jìn)風(fēng)、行人通道，2-3012 巷作為回風(fēng)、行人軌道運(yùn)輸通道，工作面巷道布置詳情如圖1。根據(jù)研究需要，計(jì)劃在2-3011巷進(jìn)行留巷。

圖1 工作面巷道布置（m）

2 2-3011 巷掘巷支護(hù)

2-3011 巷道斷面為矩形，掘?qū)?.7 m，凈寬4.5 m，掘高3.5 m，凈高3.4 m，毛斷面16.45 m2，凈斷面15.3 m2。頂板采用錨網(wǎng)梁+錨索聯(lián)合支護(hù)，每排7 根錨桿，兩幫每幫每排6 根錨桿，頂錨桿為Φ20 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，配合鋼筋網(wǎng)+1 根6 孔長(zhǎng)4.8 m 錨梁搭接+150 mm×150 mm×10 mm拱形高強(qiáng)壓制碟形托板+球形墊圈+減摩墊圈支護(hù)，頂錨桿間排距850 mm×1000 mm。幫部錨桿選用Φ20 mm×2400 mm 左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，配合鋼筋網(wǎng)+1 根4 孔長(zhǎng)3.7 m 錨梁搭接+150 mm×150 mm×10 mm 拱形高強(qiáng)壓制碟形托板+球形墊圈+減摩墊圈支護(hù)，間排距850 mm×1000 mm。每根錨桿均采用1 條CKb2340 和1 條Z2360 樹脂錨固劑。最上一根錨桿距頂200 mm，最下一根錨桿距底200 mm，錨桿、錨梁均垂直于巷幫布置。錨索為“三·三”布置，間排距1000 mm×2000 mm，采用Φ21.6 mm×6500 mm 配 合300 mm×300 mm×14 mm 壓制蝶形托板+球形墊圈+鎖具支護(hù)。每根錨索采用2 條CKb2340 和2 條Z2360 樹脂錨固劑。

3 預(yù)裂切頂及支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 頂板預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)方案

根據(jù)類似地質(zhì)條件下切頂卸壓沿空留巷技術(shù)成功應(yīng)用的實(shí)例[1-3]，切頂高度和角度對(duì)于切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用效果至關(guān)重要。預(yù)裂切落的巖層應(yīng)基本將采空區(qū)充滿，通常情況下不小于2.6 倍采高。2-301 工作面采高取2.4 m，所以切縫的高度不應(yīng)小于6.24 m。預(yù)裂切縫鉆孔的深度計(jì)算得到，其計(jì)算公式：H=（H采-H頂-H底）/（k-1），其中H采為采高，為2.4 m；H頂為頂板預(yù)計(jì)下沉量；H底為底板預(yù)計(jì)底鼓量；k為頂板巖層的碎脹系數(shù)，直接頂為較堅(jiān)硬的粉砂泥巖，k=1.2。在不考慮巷道在一次采動(dòng)影響下變形的情況下，此時(shí)求得的值為切縫高度的上限，計(jì)算得到H=12 m。由此，頂板切縫高度合理取值范圍為6.24～12 m。結(jié)合2-301工作面頂板巖層巖性、厚度特征，最終確定切縫的垂直高度11 m，鉆孔長(zhǎng)度12 m，向工作面內(nèi)傾斜15°，切縫鉆孔距巷道回采幫150 mm，采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)進(jìn)行切頂。鉆孔布置詳情如圖2。

圖2 頂板切縫及恒阻錨索布置方案設(shè)計(jì)（mm）

3.2 恒阻大變形錨索設(shè)計(jì)方案

采用恒阻錨索將巷道頂板懸吊在上方的堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層中，恒阻錨索長(zhǎng)度一般要大于切頂高度，考慮到2-3011 巷切頂垂直高度11 m，并考慮錨索在穩(wěn)定巖層內(nèi)的錨固長(zhǎng)度，最終設(shè)計(jì)恒阻長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度為13.0 m。巷道回采側(cè)頂板下沉趨勢(shì)更明顯，錨索布置在本工作面回采一側(cè)，第一列恒阻錨索距回采側(cè)幫550 mm，第二列距回采煤幫2550 mm，排距1000 mm。錨索布置詳情如圖2。錨索間采用W 型鋼帶連接，錨索配套使用方形鋼托盤，鋼帶及托盤規(guī)格如圖3。

圖3 恒阻錨索W 鋼帶及托盤規(guī)格圖（mm）

3.3 巷道臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)方案

留巷期間，工作面超前支護(hù)區(qū)采用單體柱配π型梁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，采用一梁三柱的布置方式，超前支護(hù)距離為40 m。架后支護(hù)區(qū)對(duì)工作面后方留巷進(jìn)行圍巖控制，頂板巖層雖已進(jìn)行預(yù)裂切頂，但采空區(qū)上覆巖層垮落期間仍會(huì)對(duì)巷道頂板巖層產(chǎn)生摩擦作用，導(dǎo)致巷道受到劇烈動(dòng)壓影響，頂板下沉趨勢(shì)明顯，因此設(shè)計(jì)在工作面后方0～200 m 范圍內(nèi)進(jìn)行臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)?，F(xiàn)有的架后臨時(shí)支護(hù)主要有單體臨時(shí)支護(hù)、單體+墩式支架臨時(shí)支護(hù)和門式架臨時(shí)支護(hù)[4]，其中單體主要用在淺埋深、薄煤層、壓力比較小的留巷過(guò)程中。干河煤礦2#煤層埋深較大，壓力顯現(xiàn)明顯，主要應(yīng)從單體+墩式支架臨時(shí)支護(hù)和門式架臨時(shí)支護(hù)選用。單體+墩式支架臨時(shí)支護(hù)和門式架臨時(shí)支護(hù)的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 門式支架與墩式支架對(duì)比表

從整體切頂留巷效果和井下操作機(jī)械化程度方面考慮，建議采用門式支架。工作面順槽為矩形斷面，根據(jù)自然平衡拱理論，作用在深埋巖體巷道頂部的圍巖壓力為自然平衡拱內(nèi)巖體的自重。其理論模型如圖4（a）所示，頂板最大松動(dòng)范圍b1為：b1=（a+c）/f。a為0.5 倍的巷道寬度，為2.35 m；c為幫部煤巖體的塑性破壞深度，取3.5 m。計(jì)算可得b1=2.925 m。假設(shè)所有存在潛在冒落風(fēng)險(xiǎn)的頂板巖層的重量全部由門式支架支撐，則門式支架的載荷為：N=b1·r（2c+2a）d。其中r為巖層平均重力密度，取25 kN/m3；d為支護(hù)排拒，取1.5 m。由上式可算出N值為1 283.34 kN。根據(jù)提供的ZLQ2826/22.5/38 型門式支架技術(shù)參數(shù)可知，支架初撐力1 978.2 kN，工作阻力2826 kN，該型號(hào)支架完全符合需要。支護(hù)后斷面如圖4（b）。

圖4 門式支架支護(hù)示意圖

4 應(yīng)用效果分析

4.1 礦壓控制效果

為掌握干河煤礦2-3011 巷預(yù)裂切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)的圍巖控制效果，對(duì)巷道留巷前后寬度、高度進(jìn)行實(shí)測(cè)，整理得到圖5 所示結(jié)果。留巷前后巷道寬度收斂量為30～580 mm，高度收斂量0～750 mm，巷道里程200～400 m 區(qū)段圍巖變形較嚴(yán)重，通過(guò)簡(jiǎn)單的返修后可滿足使用要求。留巷后圍巖整體穩(wěn)定性良好，圍巖控制效果良好。

圖5 2-3011 巷留巷后斷面收斂變形規(guī)律

4.2 預(yù)期經(jīng)濟(jì)、技術(shù)效益

1）可降低接替工作面回采巷道掘進(jìn)量，緩解礦井采掘接替緊張局面；2）巷道掘進(jìn)工程量的減少，使得掘巷期間空頂、冒頂、片幫的幾率降低，利于礦井安全生產(chǎn)；3）能夠取消工作面之間保護(hù)煤柱，減少煤炭資源損失，提高礦井采出率，增加礦井可采儲(chǔ)量，提升礦井經(jīng)濟(jì)效益，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限；4）實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采，避免出現(xiàn)孤島工作面，改善沿空巷道圍巖應(yīng)力條件，沿空巷道位于采空區(qū)邊緣，應(yīng)力小，巷道支護(hù)可靠性提高，巷道變形小，能夠減少巷道返修量，降低巷道修護(hù)費(fèi)用；5）通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，形成一支專業(yè)的切頂卸壓沿空留巷隊(duì)伍，培養(yǎng)一批技術(shù)人才。

5 結(jié)論及建議

依照干河煤礦2-3011 巷地質(zhì)特征及開(kāi)采條件，設(shè)計(jì)切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)參數(shù)，計(jì)算得到切頂高度合理范圍為6.24～12 m。結(jié)合頂板巖層巖性設(shè)計(jì)切頂垂直高度11 m，以自然平衡拱理論計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)門式支架型號(hào)，工程實(shí)踐階段進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)。整理得到2-3011 巷寬度、高度變化規(guī)律，得到巷道高度最大收斂量750 mm，寬度最大收斂量580 mm，巷道圍巖變形整體在合理可控范圍內(nèi)，并取得良好的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)效益，該技術(shù)可在干河煤礦2#煤層回采期間推廣使用。