中厚煤层无煤柱开采回采巷道支护技术研究与应用

田剑舟

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司曙光煤矿，山西 孝义032300）

1 工程概况

山西汾西矿业有限责任公司曙光煤矿主要位于山西省中部孝义市，现矿井生产能力90万t/a，开采2#煤层，平均厚度为2.85m，煤层倾角2°～6°，2#煤层伪顶厚约0.2m，岩性为黑灰色泥岩，局部发育，随采随落；直接顶为厚约3.2m的砂质泥岩，直接底为厚约2.7m的中粒砂岩，顶底板岩性特征详见表1。1232运巷对应地表标高在+927m～+1054m之间，1对应地表位置大部分为第三、第四系黄土覆盖，沟谷发育；1232运输巷井下位于一采区西翼，北部为尚未掘进的1234材料巷，南部为尚未掘进的1232材料巷，东邻一采区集中轨道巷，西至井田边界。1232运巷在山西组2#煤层中掘进，煤层标高在+442m～+504m之间，1232运巷在山西组2#煤层中掘进，上部为不可采的1#煤层下部为局部可采的3#煤层。曙光煤矿现阶段面临严重的采掘接替紧张的问题，为提高巷道利用率和采区回采率，设计在1232运巷采用切顶卸压沿空留巷技术，为取得较好的应用效果展开相关研究。

表1 顶底板岩性特征

2 1232运巷切顶留巷关键参数研究

切顶卸压沿空留巷无煤柱开采工艺是在传统留巷工艺基础上，通过对顶板施工预裂爆破钻孔，使顶板在工作面回采期间及时垮落，垮落的顶板在留巷采空区侧形成帮部，上覆岩层垮落快速充填采空区，冒落堆积的矸石起到支撑作用，形成稳定的结构，减小采空区顶板对巷道围岩稳定性的影响，有效保证巷道稳定。切顶卸压技术的关键参数为切顶高度、角度[1]，为确保1232运巷的切顶效果首先展开合理参数的研究。

2.1 切顶高度分析

为确保采空区垮落岩层能够基本将采空区充填，参考类似地质条件下切顶留巷成功的案例，切顶垂直高度应不小于工作面采高的2.6倍，曙光煤矿1232工作面采高约为2.85m，故切顶高度应大于7.41m，具体的预裂切缝钻孔深度可由下式计算[2]：

式中：H缝为预裂钻孔垂直高度，m；H煤为工作面采高，m；ΔH1为顶板下沉量，m；ΔH2为底板底臌量，m；k为上覆岩层碎胀系数，1.3～1.4。

曙光煤矿1232工作面上覆岩层碎胀系数取1.3，工作面回采前1232运巷顶板下沉量约200mm，底板底鼓量约100mm，工作面采高为2.85m，由式（1）计算可得H缝=8.5m，因此确定预裂切缝钻孔垂直高度为9.0m。

2.2 切顶参数模拟研究

为验证预裂切缝钻孔垂直高度为9.0m的合理性，确定合理的钻孔布置方式，基于曙光煤矿1232运巷工程地质条件及各岩层实验室物理力学实验结果，采用UDEC离散元数值模拟软件建立模型[3]，对不同切顶方案和支护方案模拟分析，模型沿工作面推进方向的切面建立，宽度为200m（工作面长度方向），高度60m（垂直方向），1232运巷宽度为5.5m，高度为2.8m，1232工作面采空区高度为2.85m，长度为150m，模型左右边界施加水分方向的位移约束，下部边界施加垂直方向的位移约束，上部边界施加应力约束，工作面平均埋深约450m，施加垂直应力为10.8MPa，具体模型如图1所示。

图1 数值模型示意图

参考类似地质条件下切顶留巷技术成功应用的实例，初步设计切顶预裂钻孔与垂直方向的角度分别为0°、15°、30°，切顶高度为9m，模拟方案：模型平衡后得到初始地应力场→1232运巷开挖支护→切顶→1232工作面开采。切顶预裂钻孔不同布置角度条件下，岩层运移垮落状态模拟结果如图2所示。

由图2所示结果可以看出，切顶高度9m条件下，切顶角度在0～30°之间，工作面回采后上覆岩层垮落后均基本将采空区充填，验证切顶高度为9m的合理性。切顶线沿垂直方向的条件下，沿空巷道顶板下沉量达到1100mm，表明采空区的矸石未能有效的支撑沿空巷道顶板短悬臂结构，顶板受到很大的垂直地应力作用，巷道围岩稳定性较差。切顶线与垂直方向15°条件下，采空区矸石碎胀作用下有效支撑顶板，切落的岩石对沿空巷道顶板起到斜撑作用，顶板下沉量仅为220mm，巷道围岩稳定，切顶效果良好。切顶线与垂直方向增大为30°条件下，顶板下沉量增大为510mm，由于沿空巷道顶板短壁结构长度增大，且切落的岩层未起到良好的支撑作用，导致顶板下沉量增大，不利于整体巷道围岩的稳定性控制。综上可知，切顶角度为15°较合理。

图2 数值模拟结果

3 支护方案优化设计数值模拟研究

采用UDEC进行不同支护参数下的数值模拟研究，类比相似地质条件下切顶留巷的支护方案[4]，设计1232运巷采用以下方案进行支护：①方案一，直径20mm、长度2.4m的螺纹钢锚杆，每孔采用3卷K2335树脂药卷，间排距为900mm，顶板每排5根，两帮每帮各3根，顶板锚杆锚固力不低于100kN，帮部锚杆锚固力不低于50kN，安装预紧力距不小于200N?m。顶板布置直径21.8mm、长度8.0m的钢绞线锚索，每孔采用3卷K2850树脂药卷进行锚固，锚固力不小于250kN，预应力不小于120kN，沿巷道轴向通过W型钢带联结，钢带长5.4m，锚索间排距2000×2400mm。切顶留巷期间，在巷道靠近回采帮顶板布置规格为φ21.8mm×L8000mm的恒阻长锚索，恒阻器直径65mm，长度500mm，恒阻值35t，排距为1800mm，恒阻锚索间沿轴向同样通过W型钢带联结。②方案二，巷道掘进期间顶板锚索布置在巷道中心线处，每排一根，排距1800mm，相较方案一较少了一根非回采侧顶板锚索；③方案三，在方案二的基础上减小锚索长度，将锚索长度改为6.0m；④方案四，将顶板锚索长度改为7.0m。在不同支护方案条件下，进行工作面开挖模拟，模拟结果表明差别最大的为沿空巷道顶板最大下沉量，统计顶板最大下沉量的模拟结果详见图3。

图3 各支护方案顶板下沉量模拟结果统计

图4 1232运巷切缝钻孔布置及加强支护展开图

根据图3所示的结果可知，方案一条件下，顶板下沉量最小，支护效果良好，方案二相对于方案一减少顶板锚索的数量，顶板下沉量增大了10mm，围岩稳定性较好，而方案三、四条件下顶板下沉量增大更为明显，因此综合考虑安全、经济等因素，选择方案二作为1232运巷的支护方案。1232运巷留巷切顶及补强支护详情如图4所示，切顶钻孔直径为46mm，垂直高度为9.0m，布置间距为900mm，超前工作面20m进行预裂爆破；超前工作面50m施工恒阻长锚索，在工作面前方30m和后方100m采用单体柱+π形梁进行补强支护。

4 应用效果监测

采用十字交叉法观测巷道表面位移，整理得到图5所示的结果。图5（a）所示结果为巷道宽度在工作面回采前后的变化，1232运巷切顶留巷期间，大部分巷段两帮移近量小于200mm，个别巷段两帮移近量达到400mm左右；图5（b）所示结果为巷道高度在工作面回采前后的变化，1232运巷切顶留巷前后，多数巷段顶板下沉量保持在200mm以下，局部达到400mm以上；综上可知，1232运巷留巷期间围岩稳定性良好，表面位移量较小且在合理范围内，经过简单的返修即可服务于下个工作面。

5 主要结论和建议

为保证切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术在曙光煤矿1232运巷的成功应用，通过理论计算确定切缝线合理垂直高度为9m，采用Udec数值软件研究表明，切缝线与竖直方向呈15°夹角偏向采空区时，切顶效果最佳，依据1232运巷具体地质条件设计其留巷支护方案，并模拟分析优选出最佳方案，现场应用及巷道表面位移监测结果表明，留巷期间，大多数区域巷道顶板下沉量和两帮移近量均小于200mm，围岩整体稳定，支护效果显著，研究成果可为类似地质条件下切顶卸压留巷技术的应用提供借鉴。