厚煤層煤巷小煤柱切頂護巷技術研究

茹 磊

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 方山 033000）

1 工程概況

霍州煤電集團木瓜煤礦位于山西省呂梁市方山縣大武鎮木瓜村，9#煤層和10#煤層間距0.35～0.7 m，因此合并開采。合并后煤層總厚度為2.81～5.73 m，平均厚度4 m，煤層傾角為8°～14°，平均傾角8°，煤層結構簡單，全區可采。9#+10#煤層頂底板巖性見表1。

表1 9#+10#煤層頂底板巖性

9#+10#煤層厚度大，為減少相鄰工作面的回采擾動，原設計留設20 m 的區段煤柱，造成煤炭資源的巨大浪費。因此，提出對巷道頂板巖層進行預裂爆破達到切頂卸壓的目的[1-4]，以減小區段煤柱尺寸。

2 方案設計

2.1 切頂參數設計

10-201 工作面回風巷為矩形斷面，斷面尺寸為寬×高=5400 mm×4000 mm，巷道支護形式如圖1。頂錨桿選用規格為Ф20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1200 mm，頂錨索為Ф18.9 mm×5300 mm，間排距為2000 mm×2400 mm，幫錨桿選用規格為Ф20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為1200 mm×1200 mm。

圖1 原支護方案設計（mm）

9#+10#煤層上覆巖層均厚依次為2.5 m 的泥巖、2.57 m 的灰巖、2.3 m 的泥巖和7.7 m 的灰巖。上覆巖層中，2.57 m 的灰巖和7.7 m 的灰巖厚度較大，且硬度較大，完整性較好，當工作面回采后，破斷、變形過程中對采場應力影響較大，需采用預裂爆破的方式將其切斷。如果預裂爆破孔與豎直方向夾角太小，則回采巷道支護難度增大，頂板巖層有較大失穩風險；預裂爆破孔與豎直方向夾角太大時，要保證切斷最上方7.7 m 的灰巖，需要更深的預裂爆破孔。參考臨近礦井切頂卸壓現場施工效果及本礦井施工條件，確定預裂爆破孔與豎直方向夾角為15°，深度為16 m，即可保證切斷最上方7.7 m 厚的灰巖，回采巷道頂板巖層也不會很容易失穩。從安全角度考慮，將原有長度為5300 mm 的錨索改為8300 mm 的錨索，并在預裂爆破孔一側多布置一根錨索，同時將巷道肩角位置錨桿改為垂直施工，最終切頂及支護方案如圖2。

圖2 切頂及支護參數示意圖

2.2 煤柱合理寬度

為確定煤柱的合理尺寸，借助FLAC3D模擬軟件，模擬對巷道頂板巖層進行預裂爆破條件下，煤柱寬度分別為6 m、8 m、10 m、12 m 時巷道圍巖塑性范圍。煤層及頂底板巖層力學參數見表2，巷道圍巖塑性區模擬效果如圖3。

表2 煤層及頂底板巖層力學參數

如圖3 所示可知，當區段煤柱寬度為6 m 時，大部分煤柱均為塑性區，僅在煤柱上端及下端小范圍為彈性區，表明煤柱寬度為6 m 時，大部分煤柱均處于塑性狀態，支撐能力較差；當區段煤柱寬度為8 m 時，煤柱塑性區范圍有所降低，而彈性區范圍有所增大，彈性區面積占煤柱總面積的53.2%，雖然支撐能力較好，但是由于煤柱中心區域仍處于塑性狀態，存在較大的安全隱患；當區段煤柱寬度為10 m 時，煤柱塑性區面積進一步減小，相應的彈性區面積隨之增大，占到煤柱總面積的61.3%，且煤柱中心區域處于彈性狀態，此時煤柱支撐能力良好；當區段煤柱寬度為12 m 時，煤柱彈性區面積進一步增大，占煤柱總面積的70.2%，塑性區面積僅占29.8%，此時煤柱支撐能力進一步增強，但是隨著煤柱寬度的增大，煤炭資源浪費量也隨之增大。

圖3 不同煤柱寬度巷道圍巖塑性區范圍

綜上所述，區段煤柱寬度為10 m 時，煤柱支撐能力良好，已能夠滿足礦方安全生產要求，因此區段煤柱合理寬度設計為10 m。

3 工業性試驗

對10-201 工作面回風巷采幫側頂板巖層進行預裂爆破，按照前述設計參數，預裂爆破孔深16 m，與豎直方向夾角為15°。根據現場試驗結果，預裂爆破孔間距為500 mm 時，預裂效果較好。為減少炸藥爆破時對巷道頂板巖層的擾動影響，將炸藥置于聚能管中，聚能管定向爆破原理如圖4。聚能管兩側有聚能槽，炸藥爆炸時爆轟波將沿聚能槽方向定向傳播，在切斷頂板巖層的同時，對巷道頂板其他范圍的巖層產生較小擾動，起到保護巷道頂板的效果。

圖4 聚能管定向爆破原理

按照前述設計，10-201 工作面與10-203 工作面之間留設寬度為10 m 的區段煤柱，每隔50 m 布置一個測站，用于監測10-201 工作面回采過程中巷道圍巖變形量及錨桿受力變化情況，測點布置如圖5，現場監測曲線如圖6。

圖5 現場測站布置圖

如圖6（a）所示，隨著10-201 工作面的推進，10-203 運輸巷頂底板移近量隨之增大。在距離10-201 工作面50 m 范圍內（超前10-201 工作面50 m及滯后10-201 工作面50 m，共100 m 范圍），巷道頂底板移近量增大較快；在滯后10-201 工作面50～100 m 范圍內時，巷道頂底板移近量增幅逐漸減小；滯后10-201 工作面100 m 以后，巷道頂底板移近量基本不再發生變化。最終三個測站監測得到的巷道頂底板移近量最大值分別為70 mm、74 mm、69 mm。如圖6（b）所示，巷道兩幫移近量變化趨勢與頂底板移近量變化趨勢基本相近，同樣是在距離10-201 工作面50 m 范圍內，巷道兩幫移近量增大較快；在滯后10-201 工作面50～100 m 范圍內時，巷道兩幫移近量增大幅度逐漸放緩；滯后10-201 工作面100 m 以后，巷道兩幫基本處于穩定狀態。最終三個測站監測得到的巷道兩幫移近量最大值分別為59 mm、84 mm、67 mm。如圖6（c）所示，在10-201 工作面回采過程中，10-203 運輸巷錨桿受力呈現實體煤幫側＞頂板＞煤柱側的特點，當錨桿受力穩定后，實體煤幫側、頂板及煤柱側錨桿受力分別為10 MPa、9.45 MPa 及8.65 MPa。結果表明，錨桿工作狀態良好，且對10-201 回風巷頂板巖層進行預裂爆破后，確實起到了卸壓的效果，煤柱側錨桿受力明顯較小。

圖6 現場監測曲線

4 結論

針對9#+10#煤層合并開采采高大，區段煤柱留設尺寸大，煤炭資源浪費嚴重的問題，提出對巷道頂板采用預裂爆破的方式進行切頂卸壓，達到縮小煤柱尺寸的目的，確定預裂爆破孔深度為16 m，與豎直方向夾角為15°，區段煤柱合理尺寸為10 m，可以滿足現場的安全生產要求。