青云煤业留设窄煤柱切顶卸压技术研究与应用

张 赟

（山西介休义棠青云煤业有限公司，山西 介休 032000）

井工煤矿开采中，工作面间一般留设较宽的煤柱以降低相互采动影响，导致煤炭资源浪费严重[1-2]。在上一工作面及本工作面回采多重应力扰动下，工作面巷道处于高应力区而发生严重变形，维护困难，给工作面安全回采构成威胁[3]。留设窄煤柱切顶卸压技术成为解决这类问题的主要技术方法[4-5]。在这方面研究中，方庆生研究了临空面侧向支承压力分布特征，提出了爆破切顶卸压技术[6]；闫小滨基于预裂爆破切顶卸压技术原理，给出了切顶卸压窄煤柱沿空掘巷技术[7]；张子健等针对坚硬顶板窄煤柱沿空掘巷围岩控制工程问题，研究了切顶条件下窄煤柱沿空掘巷顶板运动规律，分析了切顶高度对窄煤柱变形和巷道围岩稳定性的影响[8]；梁洁等为解决大采高工作面强动压影响工况条件下小煤柱沿空掘巷维护难题，研究采空区侧顶板断裂对小煤柱护巷围岩稳定性的影响，建立了沿空掘巷侧向顶板断裂及煤柱载荷计算模型，基于切顶卸压沿空掘巷原理，提出采用切顶方法来减小煤柱载荷，达到卸压效果[9]。综合文献分析，窄煤柱切顶卸压技术对于释放煤柱资源与保证巷道稳定是十分必要的手段。为此，以青云煤业020205 工作面为研究背景，通过合理确定煤柱尺寸，提出有效的窄煤柱切顶卸压技术以及相匹配的支护方法，对提高煤炭资源回采率，保证巷道稳定具有重要实践意义。

1 概况

020205 工 作 面 主 采2#煤 层， 煤 层 倾 角8～10°，煤层厚度2.1～2.5 m，均厚2.3 m。020205工作面西部为井田边界保护煤柱，东部为二采区专用回风巷，南部为现采020203 工作面，北部为实体煤。采用综合机械化采煤工艺。顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况表

目前，020203 工作面主要采用宽煤柱护巷，煤柱宽度为20 m。020203 轨道顺槽受邻近工作面采动影响，巷道变形严重，复修频率高，对矿井的安全生产造成不利影响。同时，两工作面间煤柱宽度留设大，造成大量煤炭资源损失。对于020205 工作面的回采，研究采用窄煤柱切顶卸压技术，为此需要确定合理的煤柱尺寸，并提出有效的窄煤柱切顶卸压方法，以实现矿山安全高效开采。

2 工作面煤柱留设宽度确定方法

2.1 理论计算

如果留有较厚的煤柱，会降低煤炭采出率；如果留有较窄的煤柱，会降低煤柱的有效承载能力，导致煤柱失效。窄煤柱宽度B的理论计算式如下[10]：

式中：X1为靠采空区侧煤体塑性区宽度，m；X2为巷道侧锚索有效长度，6.0 m。X3为煤柱有效承载厚度，m。

其中X1确定方法如下：

式中：M为采高，2.3 m；A为侧压系数，0.38；C为内聚力，6.5 MPa；φ为内摩擦角，30°；K为平衡系数，2.0；H为煤层埋深，730 m；Pz为支架阻力，0.62 MPa；γ为容重，26 kN/m3。

将参数带入公式（2），可以得到X1=1 m，煤柱有效承载厚度X3=（0.15～0.3）（X1+X2），计算得X3=1.05～2.1 m，将参数带入公式（1），可得B=8.05～9.1 m。

巷道掘出后，所留设的煤柱在应力扰动下将会出现一定范围的塑性区。此时煤柱宽度经验计算式如下：

将参数带入公式（3）计算得：B≥6.6 m。

综合分析，小煤柱的合理宽度应大于6.6 m，且在8.05～9.1 m 范围内。因此，根据理论及经验计算结果，初步确定020205 回采工作面窄煤柱宽度为8 m。

2.2 数值模拟分析

结合理论计算结果，以2#煤层为工程背景，分别建立煤柱宽度为7 m、8 m 与9 m 的模拟方案，分析巷道切顶后应力及位移分布特征。数值模型尺寸为长×宽×高=300 m×280 m×250 m，模型底部及四周进行位移约束，上部施加载荷等效上覆岩层自重。煤岩体力学参数见表2。

表2 煤岩体力学参数

1）不同宽度煤柱塑性区分布特征

不同宽度煤柱塑性区分布情况如图1。煤柱尺寸为7 m 时，塑性区贯穿整个煤柱，煤柱失去有效承载能力；当煤柱增至8 m 时，煤柱内部存在4.2 m 的弹性区，弹性区面积占煤柱总面积的52.5%，此时煤柱具有较好的承载能力；煤柱尺寸为9 m 时，煤柱内部存在6.5 m 的弹性区，占煤柱总面积的65%，此时煤柱承载能力进一步加强。综合分析，煤柱宽度在8 m 以上时，弹性区面积大于50%，具有良好的支撑能力。

图1 不同宽度煤柱塑性区分布图

2）不同宽度煤柱垂直应力分布特征

不同宽度煤柱的垂直应力分布情况如图2。随着煤柱宽度的增大，煤柱上的应力峰值逐渐远离020205 轨道顺槽。煤柱宽度为7 m 时，煤柱所受应力峰值为15.8 MPa；煤柱宽度为8 m 时，煤柱所受应力峰值为14.5 MPa；煤柱宽度为9 m 时，煤柱所受应力峰值为14.0 MPa。当煤柱宽度由7 m 增至8 m 时，煤柱所受应力峰值降低1.3 MPa；当煤柱宽度由8 m 增至9 m 时，煤柱所受应力峰值降低0.5 MPa；说明8 m 煤柱宽度能够在一定程度上保障煤柱的稳定。

图2 不同宽度煤柱垂直应力分布图

3）不同宽度煤柱下巷道变形分布特征

不同煤柱宽度时020205 轨道顺槽变形情况如图3。随着煤柱宽度的增加，巷道围岩的变形并不是对称发展的，并且变形主要集中在顶板及煤柱侧。煤柱宽度为7 m 时，顶板下沉量为375 mm，底鼓量为273 mm，煤柱帮位移量为348 mm，实体煤帮位移量为247 mm；当煤柱宽度分别为8 m 与9 m 时，顶板下沉量分别为242 mm 与233 mm，底鼓量分别为223 mm 与215 mm，煤柱帮位移量分别为263 mm 与251 mm，实体煤帮位移量分别为206 mm 与197 mm。相较于7 m 宽煤柱，8 m 与9 m 宽煤柱条件下，巷道整体变形较小，说明当煤柱宽度为8 m时，煤柱承载能力可以满足巷道稳定要求。

图3 不同宽度煤柱巷道变形情况

根据上述研究结果，相较于7 m 宽煤柱，8 m与9 m 宽煤柱条件下，巷道变形较小，考虑煤炭资源高效回收，确定020205 工作面煤柱尺寸为8 m。

3 窄煤柱切顶卸压方法

3.1 顶板切顶卸压参数

在020203 运输顺槽实施超前深孔定向预裂爆破切顶，以保证切缝效果。主要在巷道顶板中部形成切缝，切断顶板应力传递路径，同时促进采空区侧顶板及时垮落。020203 运输顺槽上部（从下往上）依次为：中粒砂岩、砂质泥岩，平均厚度4.04 m；1 号煤层0.48 m；细粒砂岩，平均厚度4.25 m；再往上为泥岩。预裂钻孔深度需达到泥岩层中部，为此确定预裂钻孔深度为10 m，预裂切缝钻孔与巷道顶板垂直布置，切顶角度取0°。

根据顶板岩层岩性特征，为保证最终的切缝效果，定向预裂切缝钻孔间距采用600 mm，020203工作面运输顺槽切缝孔位于巷道中部，切缝孔间距600 mm。根据矿方实际情况，钻孔锚杆机为Ф42 mm 的钻头（配套钻杆）进行打孔，深度10 m，预裂切缝钻孔与铅垂线垂直，如图4。

图4 020203 运输顺槽切顶示意图

切缝孔装药过程中实施不耦合装药结构，聚能管直径为33 mm，单根聚能管长度2 m。根据孔深计算孔内安装聚能管长度，聚能管用专用连接件连接。将聚能管安装到位后，采取炮泥封孔方式，炮泥采用红土制作的机制炮泥，要软硬适中，长度不小于2 m。采用MFB200 型起爆器，爆破时根据打孔进度进行爆破，每次爆破10 个孔。每孔使用雷管5 发，炸药5.1 kg。

3.2 顶板精准定向预裂钻孔工艺

该工艺流程为定眼位→准备钻机→调角度→打切缝孔→清理现场。根据实施要求，沿巷道顶板拉线，用喷漆定位钻孔所在位置，间距600 mm，钻孔表面以及钻孔底部必须保持在一条直线上，直线偏差不大于50 mm。采用锚杆机+Ф42 mm 的钻头（配套钻杆）进行打孔，钻孔深度允许误差0～100 mm，炮孔角度充许偏离±0.5°。根据020203 工作面推进度进行打孔，工作面每推进20 m 时，在工作面超前支护30～50 m 范围内进行打孔。

4 窄煤柱巷道支护方法

对于留设窄煤柱的巷道掘进而言，巷道在掘进以及回采时期变形尤为剧烈，高应力传导主要是来自煤柱侧。对煤柱稳定性的影响主要来自于该工作面回采及邻近工作面回采应力扰动，在双重应力扰动影响下，容易出现巷道变形难以控制的情况。为了避免这一情况的出现，巷道顶板和两帮均应采用钢筋梯子梁（钢带），进一步维护巷道稳定。

1）顶板支护

顶板采用“锚网索+钢筋梯子梁”支护。锚杆选用Ф20 mm×2700 mm 螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，每根锚杆采用MSK2335 及MSZ2360 型树脂锚固剂各1 卷；锚索选用规格为Ф21.8 mm×6200 mm 钢绞线，间排距为1300 mm×1600 mm，每根锚索采用3 卷树脂锚固剂；顶板钢带采用Ф14 mm 圆钢制作，网片采用Ф6 mm钢筋网，以此来达到对顶板的有效支撑。

2）两帮支护

两帮采用“锚网+W 型钢带”支护。锚杆采用Ф20 mm×2700 mm 螺纹钢锚杆，回采侧采用玻璃钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，每根锚杆配套使用MSK2335 树脂锚固剂及MSZ2360 树脂锚固剂各1 卷，锚杆托盘规格为150 mm×150 mm×10 mm；W 钢护板规格：宽280 mm，长450 mm，厚4 mm；两帮钢筋网采用8#菱形钢丝网。

5 应用效果分析

窄煤柱切顶卸压技术在青云煤业2#煤层020205工作面进行了工程实践，实施前后巷道变形监测结果如图5。巷道稳定后，顶板下沉量为225 mm，底板底鼓量为176 mm，煤柱帮位移量为234 mm，实体煤帮位移量为187 mm。与实施前相比，巷道顶板及底板位移量分别降低47.1%与34.8%，巷道煤柱帮与实体煤帮位移量分别降低36.8%与46.8%，巷道稳定性得到了良好控制。与此同时，留设窄煤柱后可多回收12 m 宽区段煤柱，提高了煤炭资源回采率，经济效益显著。

图5 巷道变形监测结果

6 结论

1）通过理论计算分析，窄煤柱合理宽度应在8.05～9.1 m 范围内，初步确定020205 回采工作面窄煤柱留设宽度为8 m。

2）通过数值模拟分析，相较于7 m 宽煤柱，8 m 与9 m 宽煤柱条件下，巷道变形较小，煤柱内有效承载的弹性区宽度大于50%。考虑煤炭资源高效回收，最终确定煤柱的宽度为8 m，验证了理论计算结果的可靠性。

3）研究提出在巷道中部顶板实施超前深孔预裂爆破切顶卸压方法，以及回采巷道顶板采用“锚网索+钢筋梯子梁”支护，两帮采用“锚网+W 型钢带”支护方法，巷道稳定性控制较好，提高了煤炭资源回采率，经济效益显著。