夏店煤矿3号煤层回采巷道切顶卸压留小煤柱技术研究与应用

李世慧

(潞安化工集团 慈林山煤业公司夏店煤矿,山西 长治 046299)

1 工程概况

山西潞安化工集团夏店煤矿3号煤层平均厚度为6.8 m，煤层倾角为1～3°，煤层内含1层夹矸，煤层顶板岩层为砂质泥岩和细粒砂岩，底板岩层为砂质泥岩和泥岩。3号煤层回采巷道采用传统的30 m区段大煤柱护巷，造成了大量的煤炭资源浪费。3119工作面为回采工作面，其下区段为3121工作面。现为提升煤炭采出率，拟在3121工作面回风巷采用小煤柱护巷，同时为了调控护巷煤柱的应力环境，拟在上区段3119工作面的运输巷进行切顶卸压，现进行护巷煤柱合理宽度及卸压方案研究。

2 小煤柱稳定影响因素

影响小煤柱稳定的因素有很多，最主要的因素有：①巷道上覆岩体运动和稳定性的影响。上覆岩层的运动和失稳会使窄煤柱上局部载荷增加，使小煤柱的变形增大。②提高小煤柱的支护强度可以有效提高小煤柱的侧向约束力，减小煤柱破碎区。③经过上区段回采影响，小煤柱出现不同程度的破坏，小煤柱中稳定区的存在将直接影响支护效果。④煤柱与其上下交界面接触的情况。当煤柱处于软弱岩层或煤层中时，顶底板的水平位移大于煤柱变形量，会进一步加大煤柱的变形情况[1-3]。⑤小煤柱的应力环境，小煤柱在上覆岩层的下压运动过程中会出现应力差值增大的情况，可通过切顶卸压改善小煤柱的应力环境，使各项应力差值最大限度减小。

3 定向切顶护巷技术

3119工作面运输巷采用顶板精准定向预裂切顶技术，技术方案中的参数主要包括：预裂钻孔角度、深度、间距、装药结构、预裂爆破方式及装药结构等，具体切顶方案中的各项参数如下：

1) 钻孔角度：结合以往经验[4-6]，考虑煤柱尺寸，3119胶带运输巷切缝孔布置与顶板夹角选取20°来钻孔预裂爆破。

2) 钻孔深度：根据工作面综合柱状图和顶板窥视情况，煤层顶板由泥岩、中粒砂岩组成，根据关键层理论临界确定切顶高度为20 m.

3) 顶板精准定向预裂钻孔直径：预裂钻孔直径60 mm，聚能管直径48 mm，装药直径35mm.

4) 钻孔间距：采用3级乳化炸药。根据条形(柱状)药包爆破波作用区域的理论，结合不耦合装药条件下压碎圈半径和裂隙区半径计算，预裂钻孔间距500～1 000 mm.

顶板精准定向预裂设计参数汇总如表1所示。

表1 顶板精准定向预裂设计参数

5) 爆破方式：装药方式可采用两孔连续装药隔一个孔、三孔连续装药隔一个孔、四孔连续装药隔一个孔、连续装药四种方式进行试验，如图1所示。一次起爆的切缝孔数量不得大于8个，爆破作业时采用连续装药方式。

图1 爆破方式图(mm)

6) 装药结构及工艺：直接装药并采用导爆索起爆；顶板精准定向预裂爆破采用O型聚能管不耦合装药，在井下作业现场进行装药，当班使用当班装药。O型聚能管外径48 mm，单根聚能管长度2 m，精准定向预裂爆破采用三级煤矿乳化炸药，O型聚能管每米装药量为900 g.首先将聚能管的扣盖打开，将乳化炸药直接安装进聚能管中，并用定位块固定炸药，聚能管直接用连接管连接，每个炮孔需要7根聚能管、7个定位块，6个连接管。通过2根导爆索并排安装，在炮孔底部每根导爆索安装1发雷管起爆，则需要2根22 m导爆索和2根雷管。炮孔和炮孔之间采用串联连线。

切顶钻孔装药长度14 m，单孔装药量为14 kg，封泥长度8 m，具体装药结构如图2所示。

图2 装药结构图

7) 切顶卸压范围：超前预裂爆破在顶板临时加强支护后，预裂爆破应在超前采动影响区外完成，使施工受超前支承压力的影响。设置超前工作面20 m进行预裂切缝。

4 效果分析

3121回风巷设计断面为矩形，掘进宽×高=5.2 m×3.4 m，巷道沿煤层顶板布置，巷道围岩采用锚网索支护方案，锚杆采用D22 mm×2 400 mm的螺纹钢锚杆，顶板和两帮锚杆间排距分别为800 mm×800 mm和750 mm×800 mm；顶板锚索采用D21.8 mm×7 300 mm的低松弛高强度预应力钢绞线，间排距为1 500 mm×1 600 mm；小煤柱帮采用锚索补强支护，锚索采用D21.8 mm×4 300 mm的低松弛高强度预应力钢绞线，锚杆预紧扭矩为400 N·m，锚索预紧力为150 kN，具体巷道支护断面如图3所示。

图3 巷道支护断面图(mm)

3121工作面回风巷掘进期间，根据围岩变形观测结果，巷道在上区段切顶卸压后，在8 m煤柱和现有支护方案下，顶底板及两帮最大变形量为60 mm，围岩变形量小，在3121工作面回采期间进一步进行变形量的监测分析，围岩变形曲线如图4所示。

分析图4可知，在巷道表面位移监测点与工作面距离在0～100 m时，随着工作面与巷道表面位移监测点间的距离逐渐缩短，顶底板及两帮变形量逐渐增大，巷道围岩变形中两帮的最大变形量为383 mm，顶底板最大移近量为170 mm，围岩变形量合理。

图4 工作面回采期间巷道表面位移曲线图

5 结 语

根据3119和3121工作面的地质赋存特征，通过分析小煤柱稳定性影响因素，并采用模拟分析未切顶和切顶后不同煤柱宽度支承压力分布情况，确定3121工作面回风巷护巷煤柱宽度为8 m，切顶采用顶板精准定向预裂技术，具体设计切顶钻孔直径、深度、角度、间距、装药结构及方式和爆破方式等参数。根据围岩变形监测分析可知，切顶卸压后，巷道在8 m煤柱宽度下围岩处于稳定状态，满足回采使用要求。