大采高綜采工作面小煤柱鄰巷護巷技術研究

何桂春

(晉能控股煤業集團 晉華宮礦，山西 大同 037000)

隨著我國中部地區煤炭資源逐漸枯竭，礦井煤炭資源儲量不斷減少，為了保證煤礦的服務年限和可持續發展，提高煤炭資源回收利用率就具有重要的現實意義。在這種情況下，工作面面間煤柱的留設寬度直接影響著煤炭資源的回收利用率[1-2]。隨著煤炭開采技術的逐步發展和采煤機械的不斷進步，小煤柱逐漸在綜采工作面得到了廣泛應用[3-4]。而大采高工作面小煤柱鄰巷在回采期間巷道圍巖變形相較一般綜采工作面更加嚴重，巷道維護困難，煤柱穩定性較差[5-6]。因此，對于大采高工作面小煤柱鄰巷支護技術的研究就顯得越來越重要。

針對上述問題，本文以晉華宮礦12號煤層301擴區8103工作面5103巷為工程背景，研究大采高綜采工作面回采過程中小煤柱鄰巷護巷技術，為解決大采高綜采工作面小煤柱留設和鄰巷圍巖變形控制問題提供經驗借鑒和價值參考。

1 工程地質概況

晉華宮礦12號煤層賦存穩定，結構簡單，屬侏羅紀中統大同組含煤地層，煤層傾角1～7°/4°，煤層厚度5.5～7.5/6.81 m。直接頂為灰色細砂巖及砂質頁巖互層，厚度約為4.1 m，基本頂為灰白粗中砂巖，厚度約9.7 m，屬堅硬頂板，基本頂不易垮落。301擴區布置3個大采高工作面，分別為8101、8103、8105工作面，相鄰工作面間留設6 m小煤柱，其中8101工作面回采時，5103巷進行掘進，存在采掘交鋒現象，這對于5103巷掘進期間護巷技術是一個重要的考驗。5103巷具體情況如圖1所示。

圖1 12號煤層301擴區5103巷平面布置圖

2 大采高綜采工作面小煤柱鄰巷圍巖變形特征

5103巷道斷面規格為寬×高=4.5 m×3.8 m，原有支護采用錨網索支護，見圖2。頂板原支護為4根錨桿+2根錨索，錨桿規格為：D=20 mm，L=2.0 m，錨桿間排距為1.0 m×1.0 m，配套L=3.5 m的W型鋼帶；錨索規格為：D=21.8 mm，L=6.0 m，間排距為1.7 m×2.0 m，護幫原支護采用1根角錨桿+2根幫錨桿，角錨桿規格為：D=18 mm，L=2.0 m，間排距為0.15 m×1.2 m，配套L=0.45 m的W型鋼帶；幫錨桿規格為：D=18 mm，L=1.8 m，間排距為1.3 m×1.2 m，配套L=0.45 m的W型鋼帶。

圖2 5103巷原有支護圖(mm)

8101綜采工作面回采期間，5103巷正常掘進，因此，存在8101工作面與5103巷采掘交鋒現象。5103巷受8101工作面采動影響，巷道出現頂板裂隙、底鼓、炸幫等圍巖變形，巷道斷面縮小、閉合，小煤柱失效等現象，因此，對于8101工作面回采過程中5103巷護巷技術的研究是十分必要的。

3 5103巷護巷技術研究

3.1 5103巷護巷技術理論分析

大同礦區煤層頂板屬堅硬頂板，當工作面采高較大時，根據懸臂梁理論，采空區垮落帶高度較大，頂板無法形成穩定的“砌體梁”結構，取而代之會形成“懸臂梁”結構。8101工作面回采后，上覆直接頂發生變形垮落，8101工作面與2101巷煤柱幫失去力學關系，但基本頂在采空區上方形成較大的懸板，且對其上覆數個軟弱巖層形成支撐作用，呈現“懸臂梁”結構，對6 m小煤柱及5103巷產生較大的附加應力，造成面間小煤柱變形和破壞、5103巷道圍巖嚴重變形。煤層直接頂“懸臂梁”結構如圖3所示。

圖3 采空區頂板“懸臂梁”結構圖

通過上述對工作面頂板結構的分析，要解決大采高綜采工作面回采過程中小煤柱鄰巷掘進巷道圍巖變形問題，就是要切斷煤層上覆直接頂的長“懸臂梁”結構，減小堅硬頂板對6 m小煤柱及鄰巷圍巖的壓力，再在鄰巷原有支護的基礎上進行補強支護，增強小煤柱穩定性，控制巷道圍巖變形。具體來說，就是針對8101大采高綜采工作面回采過程中的5103巷圍巖變形控制和補強支護問題，采用以“切頂卸壓、恒阻大變形錨索和普通錨索聯合支護”為主的護巷方案，在2101巷煤柱幫實施爆破預裂切頂卸壓，在一定范圍內將8101工作面頂板與6 m小煤柱和5103巷頂板分開，減弱和切斷采場上覆頂板應力傳遞，減小采場基本頂側向懸板的長度，使得采場覆巖斷裂線向采空區邊界轉移；同時利用恒阻大變形錨索和普通錨索進行5103巷道掘進過程中的頂板、巷幫聯合補強支護，控制5103巷頂幫圍巖變形，使6 m小煤柱能夠最大限度地發揮自身承載作用，減少5103巷道變形，保證巷道正常掘進和8101工作面安全回采。

3.2 2101巷爆破預裂切頂卸壓

在2101巷煤柱幫進行爆破預裂切頂卸壓，爆破預裂切縫深度為煤層直接頂和基本頂的高度之和，同時，為盡可能地減小切頂后巷道懸臂梁的長度，切縫應靠煤柱側布設，同時為使得切縫頂板更容易垮落，切縫采取豎直切縫設計。因此，2101巷爆破預裂切頂長度為640 m，切縫深度為12 m，切縫線距煤柱側幫部500 mm，切縫角度0°，具體如圖4所示：

圖4 2101巷爆破預裂切頂示意(mm)

3.3 5103巷補強支護設計

在2101巷煤柱側施工爆破預裂切頂卸壓的同時，5103巷頂幫進行補強支護，主要方案為“恒阻大變形錨索+普通錨索”聯合支護，具體情況如圖5所示。其中，頂板施工恒阻錨索規格為：D=21.8 mm，L=8.0 m，3-2-3布置方式，錨索間距分別為1.2 m及1.7 m，排距為2.0 m；恒阻器長500 mm，外徑79 mm，最大允許變形量350 mm，恒阻值為30±2 t，預緊力不小于25 t，托盤規格250 mm×250 mm×16 mm，中間擴孔直徑100 mm±1 mm。

巷道兩幫施工2排D=17.8 mm的普通錨索，錨索間排距為1.3 m×2.4 m。其中上排列錨索L=6.0 m，距頂板0.7 m，與水平夾角呈30°，使得錨索錨固端位于頂板之中；下排錨索L=4.0 m，距頂板2.0 m，與巷幫呈90°。

圖5 5103巷補強支護斷面圖(mm)

4 實際工程效果

通過在2101巷進行爆破預裂切頂卸壓和5103巷采用恒阻大變形錨索和普通錨索聯合支護技術后，在8101綜采工作面與5103掘進巷交鋒期間，觀測發現5103巷沒有出現大的煤柱幫位移、破碎和頂板下沉等現象，巷道只出現了輕微底鼓，幫內壓力變化不大，說明大采高綜采工作面小煤柱鄰巷護巷技術很好地解決了大采高綜采工作面鄰巷開掘難、保護難的問題。5103巷與8101大采高工作面采掘交鋒后的情況如圖6所示，2101巷爆破預裂切頂效果如圖7所示。

圖6 采掘交鋒后5103巷道圖

圖7 2101巷預裂切頂爆破效果圖

5 結 語

本文針對晉華宮礦12號層301擴區小煤柱鄰巷圍巖變形控制問題進行分析，在巷道原有支護的基礎上，提出了“切頂卸壓+恒阻大變形錨索和普通錨索聯合支護”護巷技術。通過在2101巷煤柱側施工爆破預裂切頂卸壓阻止采空區頂板長懸臂梁的產生，阻止采空區頂板應力傳遞，降低5103巷道掘進過程中頂板壓力；采用恒阻大變形錨索和普通錨索聯合支護的補強支護技術加固巷道頂幫，減小巷道圍巖變形破壞。最后對5103巷采掘交鋒時頂底板位移的實際觀測表明，該護巷技術對于大采高綜采工作面小煤柱鄰巷圍巖變形控制效果良好，具有很高的應用價值。