切顶自动成巷无煤柱开采技术在侏罗系薄煤层的应用

赵恩祺 马金刚

（大同煤矿集团公司总调度室，山西 大同 037003）

切顶卸压沿空自动成巷技术有着巨大的经济社会效益，具有广阔的推广前景。如何针对大同煤田侏罗系薄煤层典型赋存条件，从理论和现场实践中探索适合这种特殊地质条件下留巷的方法，成为了难题。本文以姜家湾煤矿8606、8608 工作面为具体工程背景，对侏罗系薄煤层的切顶卸压沿空自动成巷进行分析，并提出相应的对策。

1 工程概况

1.1 巷道布置情况

姜家湾8606、8608 工作面位于7#层406 盘区。8606 工作面由5606 巷、2606 巷及切眼组成，2606巷为机轨合一进风顺槽，5606 巷为回风运料顺槽；8608 工作面由5608 巷（原2606 巷）、2608 巷及切眼组成，2608 巷做为机轨合一进风顺槽，2606做为回风运料顺槽。

三条顺槽均沿煤层顶板起底掘进，矩形断面，采用锚杆、钢带加锚索联合支护。8606 工作面切眼宽6m、高2m，沿煤层底板挑顶掘进，断面呈矩形，设计长度102m，采用锚杆加锚索联合支护。8608工作面切眼设计长度108m，巷道规格及支护形式与8606 工作面切眼相同。

1.2 煤层、地质情况及四邻关系

本工作面煤层属于侏罗纪大同组7#层煤，煤层厚度0.8 ～1.46m，平均1.14m。煤层赋存较稳定，结构简单，倾角0°～9°，平均4°，属缓倾斜煤层。

（2）四邻关系

工作面北部为305 轨、305 皮、305 回三条盘区大巷，南部为8606 工作面前期炮采采空区，西部为8604 采空区，东部为实体煤。

（3）层间关系

工作面煤层之上36m 左右为3#层刀柱采空区，煤层之上59m 左右为2#层采空区。

（4）地面位置

工作面对应地面位置无建筑物，地表为山脊和山沟。煤层埋藏深度为228～232m 左右。回采后对地面无影响。

煤层顶底板示意图如图1 所示。

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图1 8606 工作面柱状图

1.3 煤尘、瓦斯情况

7#层煤尘具有爆炸性，自燃倾向性等级为Ⅱ类，自燃倾向性为自燃。8606 工作面煤层瓦斯，相对涌出量最大为 2.59m3/t，绝对涌出量最大为0.54m3/min，属低瓦斯煤层。

2 切顶自动成巷技术

2.1 施工切缝孔，不采取预裂爆破原因

根据以往无煤柱开采经验，切缝孔垂深为采高的3.5～3.6 倍，需要进行预裂爆破，形成切顶卸压预裂切缝线。但此次切顶自动成巷只计划施工切缝孔，未进行预裂爆破，原因如下：

（1）姜家湾煤矿侏罗系薄煤层埋藏深度浅（228～230m）、煤层厚度薄（1.3～1.5m），矿压显现较小；

（2）工作面直接顶为粉砂岩与细砂岩互层，厚度4～6m，日常开采时垮落步距一般为18m，顶板易垮落；

（3）根据姜家湾矿8-2#层301 盘区2103 巷沿空留巷的矿压监测记录显示，该矿沿空留巷的巷道位移及矿压显现均不明显。

（4）姜家湾矿在2010～2012 年期间已经对7#层301 盘区8125 普采工作面的5125 巷、8129 普采工作面的2129 巷、8-2#层301 盘区2103 巷进行过沿空留巷（充填式支护）试验，效果比较理想，有着大量的实践经验作保障。

2.2 切缝孔布置

（1）顶板粗锚索加固后，按设计参数施工切缝孔，沿工作面推进方向，依次按设计打孔，帮助巷道切顶。

（2）切缝孔紧贴8606 大切眼20m 内南帮及2606 巷西帮煤墙布置，眼距为450mm，孔深5200mm，孔径Φ50mm，与顶板呈75°夹角。切缝孔布置平面示意图如图2 所示。

图2 切缝孔布置平面示意图

2.3 锚索支护

传统切顶卸压沿空自动成巷大多数采用恒阻大变形锚杆（索）支护。该技术的最大特点为围岩发生一定变形时，锚索会随之发生变形，不仅围岩的变形可得到释放，锚索仍可保持恒定的工作阻力，实现围岩的再稳定。

巷道开挖后，由于应力重新分布，出现应力集中现象，产生一定塑性区。同时因巷道施工及地质构造影响降低 了原有围岩的稳定程度。此时，在围岩尚未发生大变形破坏前，应根据设计要求安装恒阻锚索进行支护。在围岩出现大变形初期，能量较大，当围岩变形能超出锚索阻力范围，恒阻体在恒阻套管内发生滑移，以此来吸收变形能。围岩发生大变形后，其能量得到释放，岩体内部应力达到平衡。当围岩的变形能小于恒阻器的设计恒阻力、锚索轴力小于恒阻体与恒阻套管的摩擦阻力时，围岩将在恒阻大变形锚索的支护作用下再次稳定。

姜家湾矿7#层属于侏罗系煤层，薄埋藏深度浅，顶板比较稳定，矿压显现较小，所以此次切顶自动成巷采用粗锚索支护代替恒阻大变形锚杆（索）支护。

为了切顶期间巷道的稳定，2606 巷沿空留巷支护采用补打锚索及配套锁具，规格Φ21.8×8000mm，布置方式为2-1-0，排间距为1400×900mm（1800 mm），锚索孔径Φ28mm，采用规格为300mm（长）×300mm（宽）×16mm（厚）的方钢托板，锚索外露长度为200mm，预紧力为30t。具体补打形式：距巷道西帮0.7m 处补打第一排锚索，锚索孔与巷道顶板岩面夹角85°（偏向东侧），巷中补打第二排锚索，锚索孔与巷道顶板岩面垂直。锚固剂采用mSCK2360 型，每孔2 卷。锚索支护示意图如图3 所示。

图3 2606 巷粗锚索支护示意图

2.4 动压区加强支护

采空区侧单体柱排距为600mm，间距450mm，每两根单体配合一根0.8m 长的花边梁，外侧支设两排单体柱，排间距为2000mm×900mm，每根单体配合一根0.8m 长的花边梁。

2.5 挡矸支护

采用长度为2600mm18K 废旧铁道和钢筋方格金属网进行挡矸支护，铁道紧挨采空区侧单体柱，靠近采空区一侧。金属网规格为1400mm×2600mm，搭接长度200mm，采用16#铁丝纽结，单排扣具300mm。片网要用双股8#铅丝和铁道纽结，每根铁道上纽结不少于3 扣，上中下各纽结1 扣。

3 效果

（1）此次切顶自动成巷未进行定向预裂爆破，而是通过理论分析和借鉴日常开采经验，仅设计施工了切缝孔。通过对工作面所布置的测点进行观测，结果显示顶板最大位移为36mm，顶板可以及时自然垮落，开采留巷期间无大的矿压显现，实际切顶成巷效果也较好，如图4 所示。

图4 7#层406 盘区8606 无煤柱工作面2606 沿空留巷

（2）与传统切顶卸压沿空自动成巷技术相比，此次切顶自动成巷采用锚索支护代替恒阻大变形锚杆（索）支护，通过7#层8606 无煤柱工作面的顺利开采，可以证明在侏罗系薄煤层的典型赋存条件和科学合理的支护设计下，直径21.8mm、预紧力30t 的锚索可以代替恒阻大变形锚杆（索）支护，不仅避免了材料浪费，降低了成本，而且采用的是传统施工工艺，更具有推广性。

（3）薄煤层切顶自动成巷技术在姜家湾煤矿的成功应用不仅为该矿创造了经济效益，同时也为大同地区其他矿井薄煤层无煤柱的开采提供了可靠宝贵的依据。