堅(jiān)硬頂板厚煤層工作面停采線預(yù)留回撤通道切頂護(hù)巷技術(shù)

溫耀軍

（山西凱嘉能源集團(tuán)有限公司，山西 晉中 032000）

1 概況

義棠煤礦100505 工作面位于礦井下組煤，面長(zhǎng)170 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為960 m，采用綜采放頂煤工藝，采高為2.6 m，放煤高度為6.2 m，煤層總厚度為8.8 m。工作面開(kāi)采煤層為9 號(hào)、10 號(hào)煤層。工作面埋深為370～433 m，平均為410 m。工作面老頂為石灰?guī)r，厚10 m，f值為10 ～11；工作面底板為鋁土頁(yè)巖，平均厚度3.9 m。工作面綜合柱狀圖如圖1 所示。工作面兩順槽位于10 號(hào)煤層下段，采用錨網(wǎng)支護(hù)。工作面停采線附近為下組煤開(kāi)拓巷道，以往工作面停采線留設(shè)煤柱為65 m。為提高工作面煤炭資源采出率，同時(shí)保證大巷的圍巖穩(wěn)定性，在該工作面試驗(yàn)停采線預(yù)留回撤通道切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)，將工作面停采線煤柱寬度由65 m 縮短為30 m，提高了工作面的采出率，同時(shí)采取切頂卸壓措施后工作面停采線附近大巷的圍巖變形量相比以往得到了緩解。

圖1 工作面綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of working face

2 回撤通道切頂卸壓數(shù)值模擬分析

根據(jù)工作面地質(zhì)條件進(jìn)行FLAC3D 建模，建模尺寸、切頂參數(shù)及相關(guān)巖層物理力學(xué)參數(shù)參考經(jīng)驗(yàn)值，并構(gòu)建三維模型，回撤通道尺寸為4.0 m×3.0 m，切頂高度為15 m，切頂角度取20°（圖2）。建模完成后對(duì)其進(jìn)行工作面回采模擬，對(duì)比分析切頂前后回撤通道圍巖的豎向應(yīng)力分布情況。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical calculation model

當(dāng)回采工作面距離回撤通道較遠(yuǎn)時(shí)，未切頂條件下圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)對(duì)稱分布，回撤通道圍巖應(yīng)力較高；切頂后圍巖應(yīng)力分布明顯改變，回撤通道圍巖呈現(xiàn)卸壓狀態(tài)。隨著工作面推進(jìn)，當(dāng)回采工作面距離回撤通道較近時(shí)（5 m），未切頂條件下回撤通道兩幫均處于高應(yīng)力區(qū)，回撤通道及工作面易發(fā)生片幫變形等現(xiàn)象，不利于回撤通道圍巖穩(wěn)定；切頂條件下，回撤通道兩幫煤壁均處于低應(yīng)力區(qū)，回撤通道煤柱內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，但遠(yuǎn)離工作面?zhèn)让簬?，回撤通道較為穩(wěn)定。當(dāng)回采工作面與回撤通道貫通后，未切頂條件下回撤通道煤柱側(cè)巷幫處于高應(yīng)力區(qū)，而切頂條件下，應(yīng)力集中區(qū)范圍減小、峰值降低，且位于煤柱內(nèi)，遠(yuǎn)離回撤通道，因此切頂條件下回撤通道具有更好的穩(wěn)定性（圖3）。

圖3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果Fig.3 Numerical calculation results

通過(guò)對(duì)比圖可以得出如下結(jié)論。

（1） 切頂卸壓能夠有效切斷巷道及采空區(qū)頂板之間應(yīng)力傳播途徑，從而減弱實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低了應(yīng)力峰值，而且使得應(yīng)力集中區(qū)遠(yuǎn)離巷幫，轉(zhuǎn)移到實(shí)體煤幫深部位置。

（2） 頂板預(yù)裂切縫能夠有效降低巷道頂板一定范圍內(nèi)的應(yīng)力，形成卸壓區(qū)，有利于回撤通道頂板的穩(wěn)定。

（3） 由于切縫的存在，回撤通道及采空區(qū)頂板的連續(xù)性被切斷，使其具有獨(dú)立的變形特征，回撤通道頂板形成短臂梁結(jié)構(gòu)，其變形不再受采空區(qū)頂板垮落下沉的影響，因而使巷道變形得到了有效控制。

3 切頂后停采線位置的確定

由于采取切頂措施，工作面停采線煤柱留設(shè)不再考慮工作面采空區(qū)頂板垮落下沉影響，只考慮回撤通道及停采線附近大巷的塑性區(qū)范圍及中間彈性核寬度的因素。

回撤通道圍巖塑性變形深度計(jì)算時(shí)，回撤通道斷面尺寸設(shè)計(jì)為寬×高=4 m×3 m。

回撤通道圍巖塑性變形深度為4.5 m。

工作面停采線附近大巷（回風(fēng)大巷） 的塑性變形深度計(jì)算時(shí)，回風(fēng)大巷斷面尺寸設(shè)計(jì)為寬×高=5 m×3.5 m。

工作面停采線附近回風(fēng)大巷圍巖塑性變形深度為5.25 m。

回撤通道與回風(fēng)大巷圍巖塑性變形區(qū)范圍之間應(yīng)留設(shè)的彈性核寬度計(jì)算：

因此，保護(hù)煤柱的總寬度W= Y1+Y2+Z= 4.5+5.25+7=16.75 m。

故考慮1.5 倍的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱寬度W'=1.5W=25.1 m。

為便于回采設(shè)備的回撤，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將停采線位置選擇在巷道比較平緩、頂板比較穩(wěn)定的地段，最終確定停采線處煤柱寬度為30 m。

4 回撤通道設(shè)計(jì)方案

沿工作面停采線掘進(jìn)回撤通道，回撤通道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度170 m，與工作面同層位布置，掘進(jìn)斷面為矩形，巷寬4 m，巷高3 m。

頂板采用螺紋鋼錨桿+錨索+恒阻錨索作為永久支護(hù)；保護(hù)煤柱側(cè)巷幫采用錨網(wǎng)支護(hù)；采煤側(cè)巷幫采用玻璃鋼錨桿+木托板聯(lián)合支護(hù)。

（1） 巷道頂板采用6 根左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。錨桿φ22 mm×2 400 mm；鋼筋托梁φ16 mm×3 800 mm；菱形鋼絲網(wǎng)為4 000 mm×1 300 mm；托板為φ120 mm×10 mm。托板與鋼筋托梁壓緊鋼絲網(wǎng)并貼緊煤（巖） 面。沿巷道中心線對(duì)稱布置3 根錨索，錨索間排距1 300 mm×2 000 mm，錨索為φ21.8 mm×7 500 mm 的鋼絞線，托板長(zhǎng)×寬×厚=300 mm×300 mm×16 mm。

（2） 保護(hù)煤柱側(cè)巷幫采用4 根左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為850 mm×1 000 mm。錨桿φ18 mm×2 000 mm。菱形鋼絲網(wǎng)為3 000 mm×1 300 mm。托盤規(guī)格為φ120 mm×10 mm。

采煤側(cè)巷幫采用3 根玻璃鋼錨桿，錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm。錨桿規(guī)格為φ18 mm×2 000 mm。鋼絲網(wǎng)規(guī)格為3 000 mm×1 300 mm。木墊板長(zhǎng)×寬×厚＝500 mm×150 mm×100 mm。木墊板豎直安裝，托盤與木墊板壓緊并貼緊煤面，托盤采用玻璃鋼錨桿配套的塑料托盤。

（3） 為了保證切頂過(guò)程和周期來(lái)壓期間回撤通道的穩(wěn)定性，采用恒阻大變形錨索加固回撤通道。巷道頂板布置2 排恒阻大變形錨索，第一排恒阻錨索距回采幫500 mm，第二排與第一排恒阻錨索排距1 500 mm，每排恒阻錨索內(nèi)間距均為2 000 mm。錨索規(guī)格為φ21.8 mm×8 000 mm 的鋼絞線，恒阻器長(zhǎng)500 mm，外徑79 mm，最大允許變形量350 mm，恒阻值為33 t。恒阻錨索間使用2 000 mm×300 mm×3 mm 的W 型鋼帶連接。巷道斷面支護(hù)如圖4 所示。

圖4 回撤通道斷面支護(hù)示意Fig.4 Retracement channel section support schematic

5 回撤通道切頂卸壓方案

5.1 頂板預(yù)裂鉆孔設(shè)計(jì)

考慮到煤層頂板為平均厚度10 m 的石灰?guī)r，為確保頂板能有效切斷，采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)。距回采側(cè)煤幫300 mm 布置一排切縫孔，孔間距為800 mm。預(yù)裂切縫孔深度設(shè)計(jì)為15 m，切縫孔與水平面夾角為80°。在受到工作面超前支承壓力影響前（距工作面煤壁100 m 前），完成全部鉆孔爆破作業(yè)?；爻吠ǖ琅谘鄄贾萌鐖D5 所示。

圖5 回撤通道炮眼布置Fig.5 Blasthole layout of withdrawal channel

5.2 鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方案

采用聚能管+三級(jí)煤礦乳化炸藥進(jìn)行裝藥，聚能管型號(hào)：BTC-1500 型，聚能管長(zhǎng)1.5 m，外徑42 mm，內(nèi)徑36.5 mm，炸藥采用三級(jí)煤礦乳化炸藥，藥卷直徑32 mm，長(zhǎng)290 mm。裝藥強(qiáng)度自孔底向孔口逐漸遞減，同時(shí)考慮巷道頂煤強(qiáng)度不足，為確保爆破后回撤通道及兩順槽頂板穩(wěn)定，孔口兩段聚能管不進(jìn)行裝藥， 單孔裝藥結(jié)構(gòu)為“4+3+3+3+3+2+0+0”，即第一段聚能管裝4 卷炸藥，第二段聚能管裝3 卷炸藥，依次類推，正向裝藥，單孔藥量5.4 公斤，封孔長(zhǎng)度不小于2.0 m。連網(wǎng)時(shí)孔內(nèi)、孔間均采用串聯(lián)方式，起爆方式為“5-1-5-1”式，即每6 個(gè)鉆孔為一組，其中1號(hào)～5 號(hào)孔按照裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝填，第6 個(gè)炮孔為觀察孔（供效果窺視使用），不進(jìn)行裝藥，每班以此形式循環(huán)進(jìn)行爆破作業(yè)。裝藥結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 裝藥結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Charging structure schematic

5.3 回撤通道外順槽切頂方案

為了更好的達(dá)到切頂卸壓效果，綜合考慮工作面周期來(lái)壓，在工作面兩順槽內(nèi)從回撤通道向工作面方向30 m 范圍進(jìn)行巷內(nèi)頂板切頂。距回采側(cè)煤幫300 mm 布置一排切縫孔，孔間距為800 mm。切縫孔向工作面回采側(cè)傾斜，與水平面夾角為80°。切縫孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)及爆破參數(shù)與回撤通道切縫孔的參數(shù)一致。施工頂板切縫孔后，對(duì)縫孔附近巷道頂板采用“單體柱+π 型梁”進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，柱梁支護(hù)支設(shè)兩排，而后進(jìn)行預(yù)裂爆破，形成順槽頂板卸壓切縫線。

6 工作面與回撤通道的貫通

為減小工作面回采動(dòng)壓對(duì)回撤通道穩(wěn)定性的影響，當(dāng)工作面回采推進(jìn)至回撤通道距離剩余50 m時(shí)，對(duì)回撤通道采用“單體柱+π 型梁”進(jìn)行臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。π 型梁長(zhǎng)2.7 m，支柱為DW 31.5 型外注式單體液壓支柱，一梁四柱，支柱間距800 mm，柱梁支護(hù)沿回撤通道巷道走向方向支設(shè)兩排，第一排距回采側(cè)煤幫2 000 mm，第二排距第一排1 500 mm。

工作面距回撤通道距離剩余15 m 開(kāi)始鋪雙層頂網(wǎng)并停止放頂煤。當(dāng)工作面支架前探梁剛進(jìn)入回撤通道時(shí)，立即將頂網(wǎng)錨固于頂板上，并與回撤通道的支護(hù)頂網(wǎng)聯(lián)結(jié)，以保障頂網(wǎng)擋矸有效。工作面與回撤通道貫通后，工作面支架頂梁末端要位于切縫線以里1 m 處（前探梁全部收回），利用支架前方剩余空間作為撤架通道進(jìn)行回收。

7 礦壓觀測(cè)結(jié)果

從工作面距離回撤通道100 m 至貫通期間，回撤通道頂板下沉量最大為126 mm，底鼓量最大為537 mm，煤柱側(cè)巷幫幫鼓量最大為173 mm，頂板和煤幫相對(duì)穩(wěn)定，底鼓明顯。在工作面與回撤通道貫通后，利用回采設(shè)備對(duì)回撤通道底板進(jìn)行了一次臥底工程，而后停采回撤設(shè)備，回撤通道基本上能滿足工作面設(shè)備回撤的要求。

從工作面距離回撤通道100 m 至工作面采后半年期間，工作面停采線附近大巷的頂板下沉量最大為51 mm，底鼓量最大為121 mm，兩幫移近量最大為185 mm。以往工作面停采線附近大巷的頂板下沉量最大為358 mm，底鼓量最大為650 mm，兩幫移近量最大為1 350 mm。采取工作面停采線預(yù)留回撤通道切頂卸壓措施后，停采線附近的大巷圍巖穩(wěn)定性得到改善，避免了工作面采后維修大巷的工程。

8 結(jié)語(yǔ)

在工作面停采線采取預(yù)留回撤通道切頂卸壓措施后，工作面停采線附近大巷圍巖穩(wěn)定性得到很好的改善，減小了工作面采空區(qū)覆巖活動(dòng)對(duì)大巷的影響，減少了巷道后期維護(hù)費(fèi)用，切頂卸壓護(hù)巷效果顯著，同時(shí)可以縮短停采線煤柱寬度，增加了工作面煤炭采出量，經(jīng)濟(jì)效益明顯。