中厚煤层无煤柱开采回采巷道支护技术研究与应用

＊裴继鹏

（煤炭工业太原设计研究院集团有限公司 山西 030001）

1.研究无煤柱开采回采巷道支护意义

长期以来，煤炭资源一直是我国的主要能源供应来源，在我国经济发展中发挥了重要的支持作用。在未来相当一段时期内，煤炭将继续在我国的一次能源消费中占主导地位。到2060年，我国至少有一半的能源消耗将来自煤炭。煤炭生产也集中在大型煤炭基地，占煤炭产量的90%以上。内蒙古、新疆、陕西和山西四个省（区）的煤炭资源总量约占全国煤炭资源总量的80%，其中大部分来中厚煤层。煤层的开采巷道大都布置在双巷，巷道之间有8-25m的保护性煤柱，但这些保护性煤柱无法回收，这是造成煤炭资源流失的主要原因。同样，保护煤极将导致承受更大的压力，这是造成某些灾难的主要原因。因此，迫切需要促进无柱开采和研究，创新无柱开采技术，以提高生产率和回收率，实现煤炭工业的持续稳定发展。

2.沿空巷道支护技术的优势

沿空巷道技术的实际使用中，空窄煤柱支护技术与普通矿支护技术相比具有独特的特点。在支持过程中，有必要详尽参考技术的特征。实际应用的具体特征如下：如果工作面碳极的狭窄路径降低了支撑压力的区域，则施工人员在掘进施工过程中会受到不同压力和总体支撑压力的影响。在此过程中，工作面路径逐渐开挖，承载难度将逐渐增加。如果狭窄的煤柱没有被完全破坏，则煤柱的内部密封性仍然相对较好。在开挖巷道的整个过程中都会发生相应的应力变化。在拆除工作面的过程中，巷道周围岩石的压力会发生很大变化，这时巷道变形非常明显，并会产生相应的破坏力。在上部破裂的情况下，煤柱也将被破坏，并且整个巷顶将变形。

3.无煤柱沿空巷道支护技术

参照对我国无煤柱巷道推进的研究，发现沿空巷道无煤柱的巷道具有明显的独特的围岩变形特征。尤其是采掘巷道与其他类型的围岩相比。沿空巷道无煤柱距离提前90m，明显变形应提前35m。与采矿期间巷道周围岩石的影响相比，前者是后者的5-10倍，后者远高于实心煤巷的比例。由于多次开采的影响，巷道周围的岩石变形，刚性支撑更加困难。在巷道施工过程中，没有煤的柱巷道受多种开采活动的影响，围岩过于疏松，应力分布极为不均匀，变形量很大。支护和维修困难，修复率高。此工作面上沿采空区延伸的巷道属于周围的特殊岩石，应力复杂，应变分布不均匀，受开采影响更严重，变形也相对较大。不能使用被动支撑方法，例如金属型钢棚，梯形棚子和木棚支撑。这种支撑方法抗变形能力差，使无煤柱的工作面的变形修复率很高。如果用锚网索支护，选择的参数不符合地下压力分布规律巷道上没有煤柱的巷道的变形和变形特性，无法满足支撑要求。

因此，为了满足预期的支护要求，必须更新这种特殊的无煤柱巷道支护技术：采用高强度螺栓支护，加固巷道周围的岩石，加强锚固平衡。在施工过程中，由于顶板在开挖之前属于塑性变形区域，因此顶板应力被破坏，沿空侧帮也变破碎。对岩体的水平和纵向约束，使得围岩的双向力三向力可用于控制节理面的相对位移，增加摩擦力并改善不良的地表特性。围岩确保锚固力达到最大强度，并为围岩提供最大的支撑。使用预紧力使锚杆锚固范围内的煤和岩体形成锚固平衡状态，该状态可以适当变形，从而改善了围岩的整体稳定性；悬臂理论：沿空巷道的沿空巷道侧是自由端和落矸，另外一段不会产生横向纵向的位移，是可以转动，符合悬臂梁理论，为了保证悬结构有足够强度，必须保证顶梁是完整的，具备足够强的强度，支撑上梁的完整和上覆的岩石层。成为可以特定压缩变形的更稳定的顶梁支撑[1]。

4.巷道破碎两帮锚固支护方法

巷道支护加固处理一般是考虑以前的施工经验，锚固支护参数的处理也应参考以前的经验，对于围岩的破碎处，不需要全部维护。为了创建一种能够支撑重量的更稳定的锚固方法，必须使用两个锚固网来加强技术控制。根据一定的关系设计高度和厚度，根据载荷设计锚固件的参数和形状。为了保证锚固结构能有效适应高变形路面，必须根据几个综合因素设计锚固的强度，螺栓长度和螺栓间距，以免因锚固结构造成的误差。它可以在不承受两侧压力的情况下影响并改善一般的锚固结构。还有一种是在两帮锚杆支撑的方法。可以先将两帮破碎面进行锚固厚度与高度之比大于1:5，然后根据锚固体的形状承载能力要求确定与锚相关的其他参数[2]。

5.中厚煤层无煤柱开采回采巷道支护技术应用

工程概况，62711高瓦斯矿井工作面是某2#煤矿区的第一个矿山开采工作面，工作面埋在435-687m的深度。2#煤层直接顶板为细粒砂岩，厚度为4.30-5.44m，平均厚度为5.42m。老顶由砂质页岩制成，平均厚度为2.52m；直接底是砂质泥岩，平均厚度为1.80m，老底碳页岩为2.13m厚度。回采走向的长度为1765m，切眼的长度为216m。采用了综合的长壁回采机械化采煤方法，整个顶板采用放顶法进行管理。62711工作面的设计如图1所示。

图1

(1)改进对具有恒定阻力和高变形的锚索的支撑

为了更好地支撑62711线路板，使用了具有恒定阻力和高变形的锚索。恒阻变形的锚索垂直于天花板方向排列，共有3排。第一排，第二排和第三排高变形固定强度锚索，距巷道的右侧分别为400mm，1400mm和3100mm。第一排固定强度锚索的相邻锚索通过钢带W连接（钢带W平行于巷道）。大变形恒强锚索的直径为21.6mm，长度为8300mm，恒强为500mm，直径为79mm，恒强值为33±2t，预紧力不小于28t。

(2)顶板预裂切缝参数设计

根据岩石碎胀特性，通常对采空区侧巷道顶板进行预裂切缝爆破，使得爆破切落的岩石对顶板形成一定程度的支撑，从而实现改善留巷应力环境的目的。基于类似矿井施工经验，并结合62711工作面实际工程地质条件，将切顶炮孔长度设计为6000mm，切顶高度为5800mm，切线与水平方向夹角为76°，炮孔间距为500mm。

此外，巷道顶板预裂爆破采用了双向聚能破裂技术。双向能量管的外径为41mm，内径为36.6mm，管的长度为1500mm。基于对现场各种装药的多次观察，最终确定连续的4孔爆破，4孔装药和每组5孔，其中一孔进行观测。每个孔均装有3个聚能管，采用3+3+1放药方式，封孔的长度为2m。

(3)留巷段支护及挡矸设计

为了有效减少采空区62711的侧顶板由于格状顶板的压缩和摩擦变形而产生的影响，在62711工作面前进之后，采空区巷道的顶板在工作面后方100m处“一梁三柱”。方法是对巷顶主动支撑，并且在同一行中三个独立列的切线。它们到直线的距离分别为200mm、900mm和1900mm。钢网和工字钢被放置在喙侧的各个支柱之间，以防止抓钩槽口沿采空区进入。一旦工作面后面的路段中的压力稳定，单根柱将随着时间的推移而缩回。

(4)应用效果

为了了解无煤柱采煤技术对开采62711工作面上的顶板压力的影响，对距离62711工作面进行215m的巷道围岩的变形进行了监测。在留巷的215m内，巷顶和巷道底部的相对进近的最大值为365.12mm。两侧的相对距离为462.14mm。巷道周围岩石的变形在允许范围内，整体稳定性高，可以满足下一个工作面返回时的再利用要求。

在巷道的整个使用期间，巷道周围岩石的变形具有明显的分区特征；在巷道的等待期间，变形在工作面后20-71m之间是严重的。在再利用期间，它类似于受轴承应力增加影响的正常巷道，并且矿山压力在工作面前方20m处显得很严重。带钢中使用工字梁和点锚电缆进行支撑。工字梁的变形表明工字梁的变形主要受水平推力的影响，并且变形在所需的变形范围内。锚索的平均阻力约为16t。通过现场应用，巷道支撑体没有变形，表明受力合理。

6.结束语

总而言之，在煤矿开采过程中，必须通过锚杆、网、梁和锚索的组合支撑来支撑沿采空区沿路掘进煤的工作面。沿轴进行检查以确定巷道的安全性。此技术支护效果稳定，节省使用成本，提高开采速度，降低工程施工的难度，对实现整个煤矿生产的经济效益有重要意义。此外，实际施工中还应注意水的治理，瓦斯的防治，提高采煤的整体效率，并采用相应的加固技术在不同地质条件下进行支护，以确保工作安全。