夏店煤礦3號煤層回采巷道切頂卸壓留小煤柱技術研究與應用

李世慧

(潞安化工集團 慈林山煤業公司夏店煤礦,山西 長治 046299)

1 工程概況

山西潞安化工集團夏店煤礦3號煤層平均厚度為6.8 m，煤層傾角為1～3°，煤層內含1層夾矸，煤層頂板巖層為砂質泥巖和細粒砂巖，底板巖層為砂質泥巖和泥巖。3號煤層回采巷道采用傳統的30 m區段大煤柱護巷，造成了大量的煤炭資源浪費。3119工作面為回采工作面，其下區段為3121工作面。現為提升煤炭采出率，擬在3121工作面回風巷采用小煤柱護巷，同時為了調控護巷煤柱的應力環境，擬在上區段3119工作面的運輸巷進行切頂卸壓，現進行護巷煤柱合理寬度及卸壓方案研究。

2 小煤柱穩定影響因素

影響小煤柱穩定的因素有很多，最主要的因素有：①巷道上覆巖體運動和穩定性的影響。上覆巖層的運動和失穩會使窄煤柱上局部載荷增加，使小煤柱的變形增大。②提高小煤柱的支護強度可以有效提高小煤柱的側向約束力，減小煤柱破碎區。③經過上區段回采影響，小煤柱出現不同程度的破壞，小煤柱中穩定區的存在將直接影響支護效果。④煤柱與其上下交界面接觸的情況。當煤柱處于軟弱巖層或煤層中時，頂底板的水平位移大于煤柱變形量，會進一步加大煤柱的變形情況[1-3]。⑤小煤柱的應力環境，小煤柱在上覆巖層的下壓運動過程中會出現應力差值增大的情況，可通過切頂卸壓改善小煤柱的應力環境，使各項應力差值最大限度減小。

3 定向切頂護巷技術

3119工作面運輸巷采用頂板精準定向預裂切頂技術，技術方案中的參數主要包括：預裂鉆孔角度、深度、間距、裝藥結構、預裂爆破方式及裝藥結構等，具體切頂方案中的各項參數如下：

1) 鉆孔角度：結合以往經驗[4-6]，考慮煤柱尺寸，3119膠帶運輸巷切縫孔布置與頂板夾角選取20°來鉆孔預裂爆破。

2) 鉆孔深度：根據工作面綜合柱狀圖和頂板窺視情況，煤層頂板由泥巖、中粒砂巖組成，根據關鍵層理論臨界確定切頂高度為20 m.

3) 頂板精準定向預裂鉆孔直徑：預裂鉆孔直徑60 mm，聚能管直徑48 mm，裝藥直徑35mm.

4) 鉆孔間距：采用3級乳化炸藥。根據條形(柱狀)藥包爆破波作用區域的理論，結合不耦合裝藥條件下壓碎圈半徑和裂隙區半徑計算，預裂鉆孔間距500～1 000 mm.

頂板精準定向預裂設計參數匯總如表1所示。

表1 頂板精準定向預裂設計參數

5) 爆破方式：裝藥方式可采用兩孔連續裝藥隔一個孔、三孔連續裝藥隔一個孔、四孔連續裝藥隔一個孔、連續裝藥四種方式進行試驗，如圖1所示。一次起爆的切縫孔數量不得大于8個，爆破作業時采用連續裝藥方式。

圖1 爆破方式圖(mm)

6) 裝藥結構及工藝：直接裝藥并采用導爆索起爆；頂板精準定向預裂爆破采用O型聚能管不耦合裝藥，在井下作業現場進行裝藥，當班使用當班裝藥。O型聚能管外徑48 mm，單根聚能管長度2 m，精準定向預裂爆破采用三級煤礦乳化炸藥，O型聚能管每米裝藥量為900 g.首先將聚能管的扣蓋打開，將乳化炸藥直接安裝進聚能管中，并用定位塊固定炸藥，聚能管直接用連接管連接，每個炮孔需要7根聚能管、7個定位塊，6個連接管。通過2根導爆索并排安裝，在炮孔底部每根導爆索安裝1發雷管起爆，則需要2根22 m導爆索和2根雷管。炮孔和炮孔之間采用串聯連線。

切頂鉆孔裝藥長度14 m，單孔裝藥量為14 kg，封泥長度8 m，具體裝藥結構如圖2所示。

圖2 裝藥結構圖

7) 切頂卸壓范圍：超前預裂爆破在頂板臨時加強支護后，預裂爆破應在超前采動影響區外完成，使施工受超前支承壓力的影響。設置超前工作面20 m進行預裂切縫。

4 效果分析

3121回風巷設計斷面為矩形，掘進寬×高=5.2 m×3.4 m，巷道沿煤層頂板布置，巷道圍巖采用錨網索支護方案，錨桿采用D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，頂板和兩幫錨桿間排距分別為800 mm×800 mm和750 mm×800 mm；頂板錨索采用D21.8 mm×7 300 mm的低松弛高強度預應力鋼絞線，間排距為1 500 mm×1 600 mm；小煤柱幫采用錨索補強支護，錨索采用D21.8 mm×4 300 mm的低松弛高強度預應力鋼絞線，錨桿預緊扭矩為400 N·m，錨索預緊力為150 kN，具體巷道支護斷面如圖3所示。

圖3 巷道支護斷面圖(mm)

3121工作面回風巷掘進期間，根據圍巖變形觀測結果，巷道在上區段切頂卸壓后，在8 m煤柱和現有支護方案下，頂底板及兩幫最大變形量為60 mm，圍巖變形量小，在3121工作面回采期間進一步進行變形量的監測分析，圍巖變形曲線如圖4所示。

分析圖4可知，在巷道表面位移監測點與工作面距離在0～100 m時，隨著工作面與巷道表面位移監測點間的距離逐漸縮短，頂底板及兩幫變形量逐漸增大，巷道圍巖變形中兩幫的最大變形量為383 mm，頂底板最大移近量為170 mm，圍巖變形量合理。

圖4 工作面回采期間巷道表面位移曲線圖

5 結 語

根據3119和3121工作面的地質賦存特征，通過分析小煤柱穩定性影響因素，并采用模擬分析未切頂和切頂后不同煤柱寬度支承壓力分布情況，確定3121工作面回風巷護巷煤柱寬度為8 m，切頂采用頂板精準定向預裂技術，具體設計切頂鉆孔直徑、深度、角度、間距、裝藥結構及方式和爆破方式等參數。根據圍巖變形監測分析可知，切頂卸壓后，巷道在8 m煤柱寬度下圍巖處于穩定狀態，滿足回采使用要求。