切顶卸压留小煤柱护巷技术研究与应用

高海明

（山西华润联盛能源投资有限公司，山西省 吕梁市 033000）

0 引 言

目前，我国煤炭井下开采保护煤柱多为宽保护煤柱，一般为20～40 m 之间，甚至个别情况可以达到50 m 左右，甚至更大。宽保护煤柱的留设会造成大量的煤炭资源浪费。据统计区段保护煤柱损失比例约占矿井总地质储量的10%～30%。

减小煤柱损失提高煤炭资源回收率是实现煤炭绿色开采有效途径之一。目前，煤矿井下常用的减小煤柱损失方法有沿空留巷和留小煤柱护巷2 种。沿空留巷在条件较好的薄及中厚煤层已日趋完善，但在厚煤层放顶煤和大采高开采中还未得到广泛的推广应用。沿空留巷与留小煤柱护巷相比而言，存在施工工艺复杂、辅助运输量大的缺点。且小煤柱可以起到挡矸、防漏风的作用。因此，留小煤柱护巷技术近几年得到了国内外煤炭行业的高度重视。

常规留小煤柱护巷是将巷道布置在采空区边缘应力降低区内或巷道开挖后使煤柱处于应力降低区，小煤柱宽度一般在3～10 m 左右，由于小煤柱已全部进入塑性破裂状态，承载能力低，支护难度大，实践表明留小煤柱护巷需要进行多次维护，从而限制了留小煤柱沿空掘巷在我国更广泛地推广应用。巷道围岩稳定性控制的基本途径是降低巷道围岩应力和选取合理的支护方式。目前小煤柱护巷主要通过后者的强支护措施来控制围岩的大变形，本文结合付家焉煤业10102 回风顺槽实际工况，突破以往常规的以强支护为主的围岩控制手段，基于切顶卸压原理，放顶煤开采留小煤柱巷道（10103 运输顺槽）围岩的有效控制。即在回采工作面顺槽通过定向预裂切缝爆破，切断顶板应力传递路径，减弱巷道顶板压力，从而降低煤柱载荷，为实现留设小煤柱护巷创造条件。

1 采掘方法与开采现状

付家焉煤业10 号煤层采用综采放顶煤采煤方法， 全部垮落法管理顶板。 工作面选用MG200/475-W 型采煤机、SGZ764/264 型刮板输送机、ZFS6200/18/35 型综放液压支架、ZZG7500/22/45型端头支架支护。煤层回采巷道尺寸及支护方式具体如下：

1）10 号煤胶带顺槽宽×高为：4.8 m×3.2 m，净面积13.69 m2，掘进断面15.36 m2，采用锚网索支护。

2）10 号煤回风顺槽宽×高为：3.5 m×2.3 m，净面积8.05 m2，掘进断面8.05 m2，采用锚网索支护。

3）10 号煤进风顺槽宽×高为：3.5 m×3 m，净面积9.19 m2，掘进断面10.05 m2，采用锚网索支护。

4）10 号煤开切眼宽×高为：7.5 m×3 m，净面积20.19 m2，掘进断面22.5 m2，采用锚网索支护。

10 号煤合并采区内工作面采用跳跃式接替。

2 工作面概况

2.1 工作面和工作面采掘关系

付家焉煤业10102 回采工作面长度为185 m，煤层平均厚5.7 m，采高3 m，放顶煤高度2.7 m。机采工作面一次截深为0.6 m，采放关系为两采一放，循环进度为1.2 m，日循环3 个，生产班每班1 个循环，设检修班，日推进度为1.2×3＝3.6 m。工作面布置如图1 所示。

图1 10102 综放工作面布置图

10103 工作面运输顺槽位于10102 工作面东侧，沿底掘进。矩形断面，巷道宽×高=5 000 mm×3 400 mm，断面积S= 17.00 m2，采用锚网梁+锚索补强支护。

煤层自燃倾向Ⅱ级；最短自燃发火期84 d。

煤尘爆炸性：具有爆炸危险性。

2.2 工作面10 号煤层顶底板岩性

在一采区内距离10102 工作面较近的钻孔有2个，分别是86 号和503 号钻孔，均位于10101 工作面内，其位置见图2 所示。 通过钻孔柱状图可知，86 号钻孔中10 号煤层埋深363 m，厚7.03 m，其顶板依次为1.85 m 厚的细砂岩、3.74 m 粉砂岩、6.98 m中砂岩、3.19 m 粉砂岩、0.86 m 厚的8 号煤、5.23 m石灰岩等；其底板依次为2 m 砂质泥岩、1.41 m 细砂岩和10.75 m 砂质泥岩。503 钻孔中10 号煤层埋深519.5 m，厚4.3 m，其顶板依次为7.2 m 厚的细砂岩、4 m 中砂岩、2 m 泥岩、4 m 砂质泥岩、5.5 m 石灰岩等；其底板依次为6.5 m 泥岩、9 m 砂质泥岩等。

图2 86 号钻孔与503 号钻孔位置

2.3 工作面回风顺槽概况

10102 回风巷布置在10 号煤层，从运煤联络巷G1 点处开口，以0°方位角沿顶板施工49 m，后按270°方位角施工回风绕道，通风系统形成后按-10°坡度施工找10 号煤底板沿10 号煤层底板施工1 414 m 至10102 工作面切眼位置。10102 回风顺槽长1 463 m，矩形断面，宽4.8 m，高3.2 m，断面积15.36 m2。采用“锚杆+金属网+锚索+W 钢带”支护，临时支护选用前探梁＋钢带＋网片支护。

2.4 工作面开切眼概况

10102 工作面切眼设计长度为185 m（平距），沿10 号煤层底板布置，地层倾角为2°～8°，整体呈走向北北东，倾向北西西的单斜构造。

10102 开切眼宽7.7 m，高3 m，断面积23.1 m2。切眼采用二次施工，第一次施工宽度4.8 m，第二次扩刷2.9 m。第一次施工时采用锚网索＋钢带支护。由于10102 开切眼较宽，扩刷时在巷道中部增加一排DW-31.5 型单体液压支柱进行加强支护，单体支柱间距为1 600 mm，详见图3。

图3 10102 开切眼平面布置图

3 10103 运输顺槽支护参数理论计算

10103 运输顺槽沿10 号煤层底板掘进，顶板主要为煤、粉砂岩、中砂岩、石灰岩等，底板为泥岩。巷帮煤的普氏系数fm取0.5，巷帮的似内摩擦角θb= tan-1fm=27°。

式中：h为巷道高度；θb为巷帮的似内摩擦角。

由式（1）计算得运输顺槽（高3.4 m）最大片帮深度为2.0 m。

顶板不稳定岩层高度按自然平衡拱高度计算：

式中：hg为顶板自然平衡拱高度，m；α为巷道掘进宽度之半，m；（巷道宽度5 m）；fd为顶板普氏系数。

考虑顶板节理裂隙影响系数，取顶板普氏系数fd=23。

计算运输顺槽顶板自然平衡拱高度为1.96 m。

巷道顶压按式（3）计算：

式中：Qd为巷道顶压，kN/m；γd为顶板岩体容重，取26 kN/m3。

计算得运输顺槽顶压为305.2 kN/m。

巷道侧压按式（4）计算：

式中：Qc为巷道侧压，kN/m；γd为巷帮岩体的容重，取14.4 kN/m3；b为顶板自然平衡拱高度（hg），m。

计算得运输顺槽巷帮侧压为69.6 kN/m。

4 10103 运输顺槽锚杆支护设计方案

运输顺槽沿10 号煤底板掘进。矩形断面，宽×高=5 000 mm×3 400 mm，断面面积S=17.00 m2。具体支护方案如下：

4.1 顶板支护

顶板支护采用：锚杆+金属网+W 钢带+锚索补强联合支护。

4.1.1 顶锚杆

锚杆形式和规格：杆体为MG335 型φ22 mm 高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，屈服载荷127 kN，破断载荷186 kN，长度2 400 mm，杆尾螺纹M24。

锚杆锚固方式：树脂加长锚固，采用两支锚固剂，钻孔直径为28 mm，锚固长度为1.68 m，实际锚固力221 kN（锚固在顶板煤层中，取粘结强度1.5 MPa），锚固力富余系数为1.74。

顶锚杆预紧力矩：不小于300 N·m（轴向预紧力约≥40 kN）；锚杆锚固力：不小于120 kN。

锚杆布置：顶部每排布置6 根，间排距为900 mm×800 mm，靠近帮的距帮250 mm。

4.1.2 顶锚索

锚索形式和规格：采用φ21.6 mm 的1×7 股高强度低松弛预应力钢绞线（材料强度1 860 MPa），屈服载荷466 kN，破断载荷530 kN，长度为7 500 mm。

锚索等间距布置，每排3 根，排距为1 600 mm，间距1 600 mm，距帮900 mm，锚索垂直巷道顶板。

锚索锚固方式：树脂端头锚固采用3 支锚固剂，锚固长度2.58 m，锚固力568 kN（锚固在顶板岩石中，取粘结强度2.5 MPa），锚固力富余系数为1.21。

锚索预紧力：不低于200 kN（锚索预紧力为其屈服力的30%～60%）；锚索锚固力：大于300 kN。

4.2 巷帮支护

两帮支护采用：锚杆（配W 钢护板）＋金属网＋钢筋梁+锚索补强联合支护。

4.2.1 两帮锚杆

锚杆杆体：采用MG335 型φ22 mm 高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，屈服载荷127 kN，破断载荷186 kN，长度2 400 mm，杆尾螺纹M24。

锚固方式：树脂加长锚固，采用两支锚固剂，钻孔直径为28 mm，锚固长度为1.68 m，实际锚固力221 kN，锚固力富余系数为1.74。

预紧力不小于300 N·m（轴向预紧力≥40 kN）；锚固力不小于120 kN。

锚杆布置：每排5 根锚杆，间排距为750 mm×800 mm。起锚高度250 mm，靠近顶板的一根帮锚杆距顶板150 mm。

4.2.2 两帮锚索补强

锚索形式和规格：采用φ17.8 mm 的1×7 股高强度低松弛预应力钢绞线（材料强度为1 860 MPa），屈服载荷311 kN，破断载荷355 kN，长度5 300 mm。

锚索布置：采用“1-1-1”布置，排距800 mm，一排距离顶板1 275 mm，一排距离底板1 375 mm，锚索与巷帮垂直。

锚索锚固方式：树脂端头锚固，采用3 支锚固剂，1 支规格为MSK2335，另2 支规格为MSZ2360，钻孔直径为28 mm，锚固长度为1.76 m，实际锚固力为232 kN。

锚索托盘采用U29 型钢压两侧钢带支护，长度1 100 mm，加球型垫圈；锚索预紧力不低于100 kN；锚索锚固力大于220 kN。

5 结论

1）10103 运输顺槽（高3.4 m）的最大片帮深度为2.0 m，顶板自然平衡拱高度为1.96 m。运输顺槽的顶板压力为305.2 kN/m，巷帮侧压为69.6 kN/m；

2）运输顺槽的顶锚杆长度不小于2.4 m，顶锚杆间、排不大于0.91 m。顶锚杆的设计锚固力不小于100 kN；顶锚索长度不小于7.3 m，若每排布置3 根锚索，安全系数不小于1.5 的话，顶锚索排距不大于1.98 m。需要注意得是，为了保持小煤柱的稳定及有效得控制巷道的围岩变形，需在运输顺槽煤柱帮与回采帮进行锚索补强支护；

3）运输顺槽顶板和两帮采用锚索补强。顶板锚索采用φ21.6 mm 的1×7 股高强度低松弛预应力钢绞线，长度7 500 mm，等间距布置，每排3 根，排距1 600 mm，间距1 600 mm，距帮900 mm，锚索垂直巷道顶板，采用U29 型钢压两侧钢带支护，长度1 100 mm；两帮锚索采用φ17.8 mm 的1×7 股高强度低松弛预应力钢绞线，长度为5 300 mm，采用“1-1-1”布置，一排锚索距顶板1 275 mm，一排锚索距底板1 375 mm，排距800 mm，采用U29 型钢压两侧钢带支护，长度1 100 mm。

6 效益分析

通过对付家焉煤业10102 回风顺槽切顶卸压留小煤柱护巷技术研究，实现放顶煤开采留小煤柱巷道（10103 运输顺槽）围岩的有效控制，大大提高采区的回采效率，使矿井的服务年限得到延长。该项目煤柱留设宽度在6～10 m，目前10 号煤层煤柱宽度为30 m，按照可缩小煤柱宽度约20 m 计算，煤层厚度按照平均6.5 m，单位体积重量按照1.4 t/m3，工作面推进长度取1 400 m，回采率按0.93 计算。则每个区段煤柱可多回收煤炭约23.7 万t。煤炭利润按照300 元/t 计算，则一个工作面增加利润约7 110 万元。同时，留小煤柱后可减少施工一条低位抽采巷，如果掘进成本按照5 000 元/m 来计算的话，掘巷总费用为700 万。因此，通过该切顶卸压留小煤柱护巷项目的实施，经济效益可达到7 810 万元，从而实现煤炭安全高效开采。