大采高综采工作面小煤柱邻巷护巷技术研究

何桂春

(晋能控股煤业集团 晋华宫矿，山西 大同 037000)

随着我国中部地区煤炭资源逐渐枯竭，矿井煤炭资源储量不断减少，为了保证煤矿的服务年限和可持续发展，提高煤炭资源回收利用率就具有重要的现实意义。在这种情况下，工作面面间煤柱的留设宽度直接影响着煤炭资源的回收利用率[1-2]。随着煤炭开采技术的逐步发展和采煤机械的不断进步，小煤柱逐渐在综采工作面得到了广泛应用[3-4]。而大采高工作面小煤柱邻巷在回采期间巷道围岩变形相较一般综采工作面更加严重，巷道维护困难，煤柱稳定性较差[5-6]。因此，对于大采高工作面小煤柱邻巷支护技术的研究就显得越来越重要。

针对上述问题，本文以晋华宫矿12号煤层301扩区8103工作面5103巷为工程背景，研究大采高综采工作面回采过程中小煤柱邻巷护巷技术，为解决大采高综采工作面小煤柱留设和邻巷围岩变形控制问题提供经验借鉴和价值参考。

1 工程地质概况

晋华宫矿12号煤层赋存稳定，结构简单，属侏罗纪中统大同组含煤地层，煤层倾角1～7°/4°，煤层厚度5.5～7.5/6.81 m。直接顶为灰色细砂岩及砂质页岩互层，厚度约为4.1 m，基本顶为灰白粗中砂岩，厚度约9.7 m，属坚硬顶板，基本顶不易垮落。301扩区布置3个大采高工作面，分别为8101、8103、8105工作面，相邻工作面间留设6 m小煤柱，其中8101工作面回采时，5103巷进行掘进，存在采掘交锋现象，这对于5103巷掘进期间护巷技术是一个重要的考验。5103巷具体情况如图1所示。

图1 12号煤层301扩区5103巷平面布置图

2 大采高综采工作面小煤柱邻巷围岩变形特征

5103巷道断面规格为宽×高=4.5 m×3.8 m，原有支护采用锚网索支护，见图2。顶板原支护为4根锚杆+2根锚索，锚杆规格为：D=20 mm，L=2.0 m，锚杆间排距为1.0 m×1.0 m，配套L=3.5 m的W型钢带；锚索规格为：D=21.8 mm，L=6.0 m，间排距为1.7 m×2.0 m，护帮原支护采用1根角锚杆+2根帮锚杆，角锚杆规格为：D=18 mm，L=2.0 m，间排距为0.15 m×1.2 m，配套L=0.45 m的W型钢带；帮锚杆规格为：D=18 mm，L=1.8 m，间排距为1.3 m×1.2 m，配套L=0.45 m的W型钢带。

图2 5103巷原有支护图(mm)

8101综采工作面回采期间，5103巷正常掘进，因此，存在8101工作面与5103巷采掘交锋现象。5103巷受8101工作面采动影响，巷道出现顶板裂隙、底鼓、炸帮等围岩变形，巷道断面缩小、闭合，小煤柱失效等现象，因此，对于8101工作面回采过程中5103巷护巷技术的研究是十分必要的。

3 5103巷护巷技术研究

3.1 5103巷护巷技术理论分析

大同矿区煤层顶板属坚硬顶板，当工作面采高较大时，根据悬臂梁理论，采空区垮落带高度较大，顶板无法形成稳定的“砌体梁”结构，取而代之会形成“悬臂梁”结构。8101工作面回采后，上覆直接顶发生变形垮落，8101工作面与2101巷煤柱帮失去力学关系，但基本顶在采空区上方形成较大的悬板，且对其上覆数个软弱岩层形成支撑作用，呈现“悬臂梁”结构，对6 m小煤柱及5103巷产生较大的附加应力，造成面间小煤柱变形和破坏、5103巷道围岩严重变形。煤层直接顶“悬臂梁”结构如图3所示。

图3 采空区顶板“悬臂梁”结构图

通过上述对工作面顶板结构的分析，要解决大采高综采工作面回采过程中小煤柱邻巷掘进巷道围岩变形问题，就是要切断煤层上覆直接顶的长“悬臂梁”结构，减小坚硬顶板对6 m小煤柱及邻巷围岩的压力，再在邻巷原有支护的基础上进行补强支护，增强小煤柱稳定性，控制巷道围岩变形。具体来说，就是针对8101大采高综采工作面回采过程中的5103巷围岩变形控制和补强支护问题，采用以“切顶卸压、恒阻大变形锚索和普通锚索联合支护”为主的护巷方案，在2101巷煤柱帮实施爆破预裂切顶卸压，在一定范围内将8101工作面顶板与6 m小煤柱和5103巷顶板分开，减弱和切断采场上覆顶板应力传递，减小采场基本顶侧向悬板的长度，使得采场覆岩断裂线向采空区边界转移；同时利用恒阻大变形锚索和普通锚索进行5103巷道掘进过程中的顶板、巷帮联合补强支护，控制5103巷顶帮围岩变形，使6 m小煤柱能够最大限度地发挥自身承载作用，减少5103巷道变形，保证巷道正常掘进和8101工作面安全回采。

3.2 2101巷爆破预裂切顶卸压

在2101巷煤柱帮进行爆破预裂切顶卸压，爆破预裂切缝深度为煤层直接顶和基本顶的高度之和，同时，为尽可能地减小切顶后巷道悬臂梁的长度，切缝应靠煤柱侧布设，同时为使得切缝顶板更容易垮落，切缝采取竖直切缝设计。因此，2101巷爆破预裂切顶长度为640 m，切缝深度为12 m，切缝线距煤柱侧帮部500 mm，切缝角度0°，具体如图4所示：

图4 2101巷爆破预裂切顶示意(mm)

3.3 5103巷补强支护设计

在2101巷煤柱侧施工爆破预裂切顶卸压的同时，5103巷顶帮进行补强支护，主要方案为“恒阻大变形锚索+普通锚索”联合支护，具体情况如图5所示。其中，顶板施工恒阻锚索规格为：D=21.8 mm，L=8.0 m，3-2-3布置方式，锚索间距分别为1.2 m及1.7 m，排距为2.0 m；恒阻器长500 mm，外径79 mm，最大允许变形量350 mm，恒阻值为30±2 t，预紧力不小于25 t，托盘规格250 mm×250 mm×16 mm，中间扩孔直径100 mm±1 mm。

巷道两帮施工2排D=17.8 mm的普通锚索，锚索间排距为1.3 m×2.4 m。其中上排列锚索L=6.0 m，距顶板0.7 m，与水平夹角呈30°，使得锚索锚固端位于顶板之中；下排锚索L=4.0 m，距顶板2.0 m，与巷帮呈90°。

图5 5103巷补强支护断面图(mm)

4 实际工程效果

通过在2101巷进行爆破预裂切顶卸压和5103巷采用恒阻大变形锚索和普通锚索联合支护技术后，在8101综采工作面与5103掘进巷交锋期间，观测发现5103巷没有出现大的煤柱帮位移、破碎和顶板下沉等现象，巷道只出现了轻微底鼓，帮内压力变化不大，说明大采高综采工作面小煤柱邻巷护巷技术很好地解决了大采高综采工作面邻巷开掘难、保护难的问题。5103巷与8101大采高工作面采掘交锋后的情况如图6所示，2101巷爆破预裂切顶效果如图7所示。

图6 采掘交锋后5103巷道图

图7 2101巷预裂切顶爆破效果图

5 结 语

本文针对晋华宫矿12号层301扩区小煤柱邻巷围岩变形控制问题进行分析，在巷道原有支护的基础上，提出了“切顶卸压+恒阻大变形锚索和普通锚索联合支护”护巷技术。通过在2101巷煤柱侧施工爆破预裂切顶卸压阻止采空区顶板长悬臂梁的产生，阻止采空区顶板应力传递，降低5103巷道掘进过程中顶板压力；采用恒阻大变形锚索和普通锚索联合支护的补强支护技术加固巷道顶帮，减小巷道围岩变形破坏。最后对5103巷采掘交锋时顶底板位移的实际观测表明，该护巷技术对于大采高综采工作面小煤柱邻巷围岩变形控制效果良好，具有很高的应用价值。