曙光煤矿切顶卸压无煤柱开采技术研究

张永和

（山西汾西矿业曙光煤矿，山西 孝义 032300）

1 工程概况

山西汾西矿业（集团）有限公司曙光煤矿地质结构简单，主要采用第二、第三煤层煤，巷道使用矩形截面，巷道当前的高度与煤层自身的厚度相同。1226工作面的开采走向长度1 562 m，倾向长度176 m，所采2 号煤层的平均厚度为2.85 m。1226 工作面采用切顶卸压无煤柱开采技术回采，如图1 所示。

图1 1226 工作面运巷切顶卸压无煤柱开采示意图

2 原巷道支护形式

当前曙光煤矿1226 运输巷使用的是“锚网索梁”混合支护形式。

顶板支架：顶板螺栓名称为20mm×2 400 mm 左旋螺纹钢螺栓，顶板螺栓排列间的距离为850 mm×1 000 mm，每排有6 个螺栓。顶板螺栓用4 500 mm 钢龙骨紧固，而钢龙骨则用Φ16 mm 不锈钢固定。两侧的顶角螺栓在水平线上呈75°对齐。中间的4 个螺栓竖立在顶板上，并以矩形排列。MSK2355 和MSZ2355 用作顶板螺栓的锚固机构。顶板锚索布置在两排螺栓之间。在第一行中，将点状电缆放置在距通道中央约1 000 mm的左侧和右侧，与锚定电缆的距离为2 000 mm；第二行在通道中间放置地脚螺栓，两行用手指旋转。锚缆使用Φ21.6 mm×6 500 mm的钢绞线及支撑锚。锚索需要选择MSK2355、MSK2355 及MSZ2355。要安装锚定机构，先安装一卷MSK2355，然后再安装一卷MSK 2355，最后再安装一卷MSZ2355。最长的锚索由尺寸为300 mm×300 mm×12 mm的方形铁板支撑。

两侧支撑：左右两排均由4 个规格20 mm×2 400 mm的左旋螺纹钢螺栓支撑。3 个长螺栓由钢带支撑，规格为L=1 900 mm。钢带为Φ14 mm 不锈钢，螺栓以矩形和垂直排列。下部锚杆由400 mm×280 mm的W 钢带支撑，钢带水平放置，锚杆以与道路侧面呈75°的方式放置在底部，螺栓与锚杆之间距离路边850 mm×1 000 mm。点锚电缆铺设在通道右侧的煤帮边界处。固定电缆与路径的右侧呈75°，其和电缆线之间的距离为2 m。锚索由Φ21.6 mm×6 500 mm钢绞线及300 mm×300 mm×12 mm 方铁板支撑。主金属网则选择1 100 mm×2 800 mm 和1 100 mm×5 000 mm 菱形的金属网。网格覆盖在100 mm 处，每150 mm 用铁丝网连接一次。金属丝网布置方式有3种。钢网选择16 号导线。1226 运输车道当前的永久支撑如下页图2 所示。

图2 运输巷原支护断面图（单位：mm）

3 沿空成巷切顶方案设计

在本文研究过程中，1226 运输巷选择的基本设计原理是“顶板切割和压力修复+锚索的恒定阻力和多变形支撑”，通过预裂和开槽爆破，将工作顶板的应力传递到表面部分切断，并减小通道顶部的压力。预裂爆破可以有效保护道路顶板的完整性。使用恒定电阻和多次变形的锚索，可以避免巷道顶板不断下沉，在进行支护时提升围岩自身的强度，导致巷道出现变形的问题，并确保通道支护的影响[1]。因此，按照过去施工经验及意见，设置了具体的设计方案。

3.1 顶板预裂切缝的设计方案

根据1226 运输巷的顶板岩性，碎胀系数k=1.3、顶板深度0.15 m、高程0.10 m，忽略顶板沉降和底板沉降，采煤高度2.85 m，计算的煤层厚度h 为8.7 m，并在高度上将计算结果合并在一起，因此，将预分割的槽深度基线绘制为h=9.0 m。根据1226 工作面输送巷一侧的煤层和覆盖层的情况，以及确定的槽基线和巷道顶板的岩性分布，确定1226 工作面支护技术的实施。最终方案是1226 运输巷的切孔距运输巷侧壁150 mm的距离，切面和管道存在的夹角是15°，切距之间的宽度需要保持在600 mm，切割的厚度则需要保持在10.0 m，施工位置距离工作面至少50 m，具体计算如公式（1）：

式中：H缝为预裂切缝深度；H煤为工作面煤层平均厚度（或采高）；ΔH1为顶板下沉量；ΔH2为底板鼓起量；k 为碎胀系数，1.3～1.5。

3.2 恒阻大变形锚索相关的设计方案

为了确保在恒定重量和构成路径周围石材的强度期间运输巷1226 顶板的切割强度，使用恒定阻力和多次变形的锚索加固顶板，预分割和切割顶板。为了将锚索悬挂在上升的坚硬岩石上并确保锚索的锚固力，必须绘制锚索的长度不少于h+2.0 m+裸露长度（0.3 m）。考虑到顶板岩石分布和巷道的原始支护标准，恒电阻锚索的设计长度为12.3 m，比施工前工作面长100 m。具体的支持与矿山的压力行为相吻合。面对运输和物料流，布置了两排具有恒定阻力和创新能力的锚索。第一排恒定电阻锚索距煤层400 mm（距煤侧壁550 mm），排距为1 000 mm；第二排的中心线距离固体煤侧200 mm，排距为2 000 mm。固定电阻锚的相邻电缆连接到3 mm×280 mm的W钢带上（平行于巷道）。恒阻柔性大的锚索直径为21.8 mm，恒阻装置的长度为450 mm、直径为85 mm，恒阻值为32 t，预载力不小于25 t。

4 具体效果的监督和检测

4.1 恒阻锚索载荷进行的监测

锚索测力计主要是对恒定电阻锚索当前的负载进行计算。每个测量点设置4 个测力机。在矿山附近和炼油厂附近的一侧找到了两条锚索，取两个读数的平均值。具体的监测结果如图3 所示。将工作表面推到测量点时，恒定电阻锚的力与250 kN的预紧力相同。将被推动的表面推至测量刻度后，锚索的恒定电阻强度不断提升，最终实现平衡标准。在固体煤壁周边具备恒定电阻的一种锚索载荷达到了311 kN，在采矿侧附近锚索的载荷比负荷为315 kN 煤壁的载荷略小。在工作之后的一定范围内，锚索上的负载继续增加，并随后超过了锚索的破坏极限。可以看出，恒定阻力和大变形锚索工作面的情况十分理想，其对于围岩强度的保持有着重要的作用[2]。

图3 巷道围岩表面位移观测情况的结果图

4.2 巷道表面位移量监测

为了研究巷道围岩的完整性，在1226 运输巷内通过现场监测了巷道的回缩量，并在图4 中将所示的结果分开。距分界点0～300 mm 范围内，底板回缩很少，平均约0.65 m2；在距该点300～800 m 范围内，抗牵引效果非常好。底板位移仍控制在最佳范围，可在常规维修后使用[3]。

图4 巷道变形情况监督和检测结果

5 结论

监测结果表明，运用切顶卸压无煤柱开采技术后，大变形锚索的恒定抗力处于良好的应力状态，收敛性好，巷道断面控制在合理范围内，且经过简单的修复就能够满足断面要求。