中厚煤层复合顶板切顶卸压无煤柱自成巷开采方法实践

辛巨星

（山西梅园工贸集团有限公司，山西 太原 030000）

1 工程概况

1.1 工作面条件

梗阳实业集团麦地掌煤矿21206 工作面开采2#煤层，煤层厚度1.1～2.5 m，平均煤厚1.87 m，煤层倾角0°～16°，平均7°。煤层结构简单，局部含1 层夹矸，属全井田稳定的可采煤层。2#煤层具有自燃倾向性，自燃倾向等级为Ⅱ级，煤尘具有爆炸性。

21206 工作面回风顺槽东至北翼回风大巷1，西部邻近F66 断层，北部为设计21206 工作面运输顺槽，邻近21208 工作面原21208 回风顺槽配风巷，南部为设计21206 工作面回风顺槽。21206 工作面运输顺槽1568 m，21206 工作面切眼186 m，21206回风顺槽1950 m。工作面沿煤层顶板进行回采，留底煤，平面布置如图1。

图1 21206 工作面平面布置图

1.2 巷道顶底板条件

结合21206 工作面岩性综合柱状图可知，煤层上覆岩层依次为8 m 的细砂岩、2.3 m 的黑灰色泥岩，底板岩层依次为0.2 m 的碳质泥岩和1.5 m 的细砂岩。工作面岩性综合柱状图如图2。

1.3 支护形式及支护参数设计

21206 工作面回风顺槽采用锚网索+钢带+钢筋梯联合支护形式[1-2]。

（1）顶部锚杆。锚杆采用Φ21.8 mm×2400 mm 无纵肋螺纹钢树脂锚杆（配套托盘），托盘采用方形带拱托盘，配套1010 尼龙垫圈，托盘尺寸为150 mm×150 mm×10 mm，每根锚杆使用1 卷MSK2360 树脂药卷和1 卷MSZ2360 树脂药卷，锚杆间排距700 mm×800 mm，单根锚杆锚固力不小于100 kN。

（2）帮部锚杆。顶部锚杆配合H 型钢带使用，H 型钢带采用圆钢焊制，圆钢直径不小于12 mm，钢带长度4400 mm，宽度80 mm，孔间距为700 mm。网片采用Φ6 mm 的钢筋制作，规格为1000 mm×2000 mm，网格100 mm×100 mm，并用 14#铁丝双股绑扎，绑扎间距不大于200 mm。

（3）锚索。顶板锚索采用Φ21.8 mm×6800 mm 和Φ21.8 mm×9000 mm 锚索交替布置，锚索打设于两排锚杆中间，锚索采用300 mm×300 mm×20 mm 方形带拱锚索托盘，配套调心球垫；锚索按“四三”布置，锚索间距1400 mm，排距3200 mm，每根锚索使用1 卷MSK2360 树脂药卷和3 卷MSZ2360 树脂药卷，单根锚索预紧力不小于300 kN；锚索配合W 钢带使用，W 型钢带型号为 WX280/3.0，长度为4400 mm，孔间距为700 mm，两端部孔心距端部的距离为 100 mm。

（4）金属网。网片全部采用Φ6 mm 的钢筋制作，规格为1000 mm×2000 mm，网格100 mm×100 mm，并用14#铁丝双股绑扎，绑扎间距不大于100 mm。

2 原巷道布置方式存在的问题

麦地掌煤矿以往的预留区段煤柱走向长壁式综采一次采全高采煤工艺存在着诸多的问题：

（1）常规支护材料不具备“大变形”特性，容易引发巷道变形破坏。传统锚网索支护在顶板变形过程中无法达到同步变形，容易导致刚性支护材料的断裂失效，同时由于顶板变形能量不能被充分释放，将引发应力集中并导致巷道变形失稳，回采巷道多次扩巷翻修，影响正常生产。

（2）多掘一条巷道导致掘巷成本提高。采用传统留设煤柱方式开采时，需要多掘出一条巷道，以掘巷成本9000 元/m 计算，按照回风顺槽长度1950 m 计算，掘进费用约为1755 万元。

（3）留设煤柱造成了资源浪费。按照大巷保护煤柱宽度为30 m，以走向长度1710 m、煤层厚度1.87 m 为例，单个工作面浪费的煤炭资源约为13.43 万t，约10 744 万元。

3 切顶卸压无煤柱自成巷技术方案的设计

针对21206 工作面回风顺槽及切眼的实际情况，设计采用以“切顶卸压+恒阻大变形锚索支护”无煤柱自成巷技术方案。通过预裂切缝爆破，切断巷道顶板应力传递，在减弱顶板压力的基础上可保护顶板完整性；采用恒阻大变形锚索支护进行补强加固，控制顶板下沉和围岩变形量，保证留巷效果。

3.1 顶板预裂切缝设计方案

顶板预裂切缝主要采用双向聚能爆破预裂技术，该爆破技术在实现预裂目标的同时可以最大可能保护巷道顶板的完整。

合理预裂切缝钻孔深度H缝一般设计为2.6 倍采高，即H缝≥2.6H煤；同时H缝与顶板下沉量、底鼓量等有关，经计算并结合21206 回风顺槽的顶板岩性，设计确定H缝为7.0～8.0 m。

切缝钻孔布置在距回采侧巷帮100～200 mm 位置处，与铅垂线成20°夹角，切缝孔间距500 mm。

3.2 恒阻大变形锚索设计方案

在对21206 回风顺槽及切眼进行预裂切顶前，设计应用恒阻大变形锚索进行补强加固。恒阻大变形锚索支护设计断面如图3。

图3 恒阻大变形锚索支护断面示意图（mm）

在支护设计中，恒阻大变形锚索直径21.8 mm，长度9000～10 000 mm；恒阻器长（450±10）mm，外径（73±2）mm，最大允许变形量350 mm，恒阻值（33±2）t，预紧力不小于25 t。

第一列恒阻大变形锚索沿巷道走向用槽钢连接，第二、三列恒阻大变形锚索垂直于巷道走向用槽钢连接。托盘规格300 mm×300 mm×16 mm （厚度不小于16 mm），中间扩孔直径（100±1）mm。

留巷段绞车、材料、注浆、水硐室等，在回采前退锚处理，硐室口及前后5 m 范围内进行顶板加强支护。

3.3 巷道临时支护设计方案

在21206 回风顺槽及切眼推进过程中，不同位置受到采动影响不同。基于现场的监测数据，将21206 回风顺槽及切眼按位置距离分为三个区域：工作面前方30 m 位置设定为超前支护区，架后0～300 m 位置设定为滞后临时支护区，架后300 m之后位置设定为成巷稳定区。根据不同的区域针对性地采用不同的临时支护方案。

对于超前支护区，采用工作面现有支护方式，不再重新设计。

对于架后临时支护区，采用液压单体反底梁支护技术，支护模型如图4。该区域还设置有挡矸支护：钢筋网+U 型钢联合支护。钢筋网用Φ6.5 mm 的圆钢焊接，网片规格1000 mm×2000 mm，网孔规格100 mm×100 mm；可伸缩36U 型钢宽360 mm，槽高96 mm，厚9 mm，长度2500 mm，用两副卡兰连接。

图4 液压单体反底梁支护技术模型示意图

对于成巷稳定区，只需要设置可伸缩U 型钢进行挡矸支护，同时对碎石帮进行高分子化学浆喷射。

4 效益分析

4.1 试验工作面顺槽巷道留巷与掘巷效益对比

21206 工作面回风顺槽预计留巷1710 m，少掘巷道1950 m，不采用110 工法留巷时，掘巷成本约9000 元/m，大巷返修成本约1500 元/m。首个试验工作面的留巷综合成本包括：恒阻锚索、切顶预裂爆破施工及专利材料费（恒阻器、聚能管等）5500元/m；普通材料费用主要包括单体棚（按15%折旧）、锚索、炸药、U 型钢、钢筋网等共计1200 元/m；人工费用1500 元/m。留巷概算成本为8200 元/m，按首个试验工作面计算留巷效益：（9000+1500-8200）×1710+9000×240=609.3 万元。

4.2 煤柱回收效益

按照21206 工作面留设30 m 煤柱计算，2#煤平均煤厚按照1.87 m，巷道长度1710 m，容重1.40 t/m3，该面大约可多产13.43 万t 煤炭，按照目前800 元/t 计算，价值10 744 万元。

总经济效益= 留巷效益+ 煤柱回收效益=609.3+10 744=11 353.3 万元。

5 结论

针对21206 工作面回风顺槽及切眼的实际情况，设计采用以“切顶卸压+恒阻大变形锚索支护”无煤柱自成巷技术方案。通过预裂切缝爆破和恒阻大变形锚索支护进行补强加固，有效控制顶板下沉，保证留巷效果，经济效益显著。