曙光煤矿沿空成巷无煤柱开采技术应用研究_任建忠.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 1工程概况 山西汾西矿业 （集团） 有限责任公司曙光煤矿主 要位于山西省中部孝义市， 局部区域位于晋中介休市 和灵石县境内， 井田构造复杂程度为简单类。曙光煤 矿主采 2、 3 号煤层，地下开采方式，生产规模 90 万 t/a， 上组煤 （2、 3 号煤层） 共划分为四个采区 （详见图 2- 2 ） ， 首采区为井底车场附近的一采区， 采区接替顺 序为一采区→二采区→三采区→四采区， 未来五年规 划开采范围主要分布在一采区。 一采区准备巷道和回 采巷道均沿煤层底板掘进， 巷道采用矩形断面， 巷道 高度等于煤层厚度。1226 综采工作面可采走向长度 1562m， 倾向长度 180.5m， 实体长 176 m。 1226 工作面 所采煤层属于二叠系下统山西组 2 煤，煤层厚度平 均为 2.85m， 工作面沿顶底板割煤， 不得留顶底煤。矿 井现阶段面临巷道断面大， 掘巷速度慢， 掘进成本较 高， 致使接替紧张， 急需采用切顶卸压自成巷新技术 及其配套工艺来实现安全高效生产。本次研究以 2 煤层 1226 工作面回采为背景， 1226 运输巷留巷长度 为 1562m， 沿空成巷无煤柱开采施工位置示意图如图 1 所示。 图 11226 工作面采掘工程平面图 2原巷道支护形式 曙光煤矿 1226 运输巷掘巷期间采用 “锚网索梁” 联合支护方式，顶板支护顶板锚杆规格为 Φ20 2400mm 的左旋螺纹钢锚杆，间、排距为 850 1000mm， 每排 6 根， 顶锚杆间通过 4500mm 的钢筋托 曙光煤矿沿空成巷无煤柱开采技术应用研究 任 建 忠 （山西汾西矿业 （集团 ） 有限责任公司曙光煤矿 ， 山西 孝义032300 ） 摘要 为解决曙光煤矿巷道利用率低、 采掘接替紧张的问题， 设计在该矿的 1226 工作面首次应用 切顶卸压自成巷无煤柱开采技术， 依据 1226 运输巷详细的地质条件设计 “切顶卸压 恒阻大变形锚 索” 留巷支护的相关参数， 现场应用过程中监测结果表明， 恒阻大变形锚索受载状态良好， 巷道断面 收敛量控制在合理的范围内， 经过简单修复后可以满足断面要求， 成功的应用了沿空成巷无煤柱开 采技术。 关键词 沿空留巷 ； 恒阻大变形锚索 ； 矿压监测 ； 数值计算 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0018- 04 Research on Application of Coal Pillarless Mining Technology in Roadway Along Shuguang Coal Industry REN Jianzhong （Shanxi FenXi mininggroupco., LTDShuguangMine ，Xiaoyi 032300 ，China ） Abstract In order tosolve the problems oflowutilization ofthe roadwayofShuguangCoal Industryand the tightness ofminingreplacement, it is designed toapplythe topless pressure reliefself- ing coal pillar- free mining technology for the first time in the 1226 working face ofthe mine. Relevant parameters for retaining roadway support of “top pressure relief constant resistance large deation anchor cable“, moni- toring results during field application showthat the constant resistance large deation anchor cable is in a good load state, and the conver- gence of the roadway section is controlled within a reasonable range. After simple repair, the section requirements can be met, and the coal pillar- free miningtechnologyhas been successfullyapplied. Keywords Remainingalongthe goaf ; constant- resistance and large- deation anchor cable ; mine pressure monitoring; numerical cal- culation 18 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 梁联结， 钢筋托梁采用 Φ16mm 的圆钢焊接， 两侧顶 角处的锚杆与水平线成 75角，中间四根锚杆垂直 顶板，呈矩形布置，顶锚杆锚固剂采用 MSK2355、 MSZ2355 各一卷； 装锚固剂时先装 MSK2355 一卷， 再 装 MSZ2355 一卷。 顶板锚索布置在两排锚杆中间， 第 一排在距巷道中间 1000mm 的左右两侧位置各打设 一根点锚索， 锚索间 2000mm； 第二排在巷道正中打 设一根锚索，两排依次循环。锚索采用 φ21.6 6500mm 的钢绞线及配套的锚具，锚索锚固剂采用 MSK2355、 MSK2355、 MSZ2355 各一卷； 装锚固剂时先 装 MSK2355 一卷，再装 MSK2355 一卷, 最后装 MSZ2355 一卷，顶锚索全部配合规格为 300300 12mm的四方铁板进行支护。两帮支护 左、 右两帮每 排各支设四根规格为 Φ202400mm 的左旋螺纹钢 锚杆， 上部三根帮锚杆配合规格为 L1900mm的钢筋 钢带进行支护， 钢筋钢带采用 Φ14mm的圆钢焊接而 成，锚杆呈矩形垂直巷帮；下部一根帮锚杆配合 400280mm 的 W 钢带进行支护， W 钢带横向布置， 锚杆与巷帮成 75角向下打设，帮锚杆间、排距为 8501000mm。巷道右帮 2 煤与夹矸分界处打设一 根点锚索， 锚索与巷道右帮成 75角， 锚索的排距为 2m， 锚索采用 φ21.66500mm 的钢绞线配合 300 30012mm 的四方铁板进行支护。顶帮金属网采用 1100mm2800mm和 1100mm5000mm的菱形金属 网， 网与网之间搭接 100mm， 每 150mm 联一道联网 丝， 三花型布置， 联网丝采用 16 铅丝。1226 运输巷 永久支护详情如图 2 所示。 图 2运输巷原支护断面图 3沿空成巷切顶方案设计 本次研究设计在 1226 运输巷采用以“切顶卸压 恒阻大变形锚索支护” 为主体的设计方案， 通过预 裂切缝爆破，在局部范围切断工作面顶板应力传递， 减弱巷道顶板压力， 且预裂爆破能够很好地保护巷道 顶板完整性[1]。 利用恒阻大变形锚索进行补强加固， 减 小巷道顶板的下沉量， 提高留巷期间巷道围岩自身的 稳定性， 减少巷道变形， 保证留巷效果。根据上述思 路， 结合以往工程经验和矿方意见[2]， 提出了以下设计 方案。 3.1顶板预裂切缝设计方案 为保证留巷效果，在 1226 工作面运输巷道靠近 回采侧范围内进行切顶爆破， 采用双向聚能爆破预裂 技术，使巷道顶板沿其轴向方向形成一个连贯的裂 缝， 顶板整体切落形成巷帮， 参考类似地质条件下切 顶留巷成功的案例，合理预裂切缝深度应不小于 2.6 倍采高， 即 H缝≥2.6 H煤， 本次煤层平均厚度 2.85m， 计算得 H缝7.41m； 预裂切缝钻孔深度一般通过如下 方式确定[3～4] H缝 （H煤- ΔH1- ΔH2） / （K- 1 ） 式中 ΔH1为顶板下沉量， 单位 m； ΔH2为底臌 量， 单位 m； K为碎胀系数， 1.3～1.4。 根据 1226 运输巷顶板岩性， K1.3，顶板下沉量 取 0.15m， 底板底鼓量取 0.10m， 在不考虑底臌及顶板 下沉的情况下， 工作面采高 H 煤为 2.85m 时， 计算得 H缝8.7m。 综合考虑上述计算结果， 预裂切缝孔深度 基准线设计为 H缝9.0m。 依据所绘制 1226 工作面运 输巷侧煤层及上覆岩层分布图， 根据确定的切缝孔基 准线结合巷道顶板岩性分布对 1226 工作面进行留巷 工程区划设计，最终设计 1226 运输巷切缝孔距巷道 回采侧帮 150mm， 切缝面与铅垂线夹角为 15， 切缝 孔间距初步设计为 600mm， 切缝高度为 10.0m， 施工 时至少超前工作面 50m， 具体见图 3 所示。 图 31226 运输巷留巷支护示意图 19 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 3.2恒阻大变形锚索设计方案 为了保证工作面回采期间切顶成巷过程中及周 期来压期间 1226 运输巷围岩的稳定性，进行预裂切 顶前采用恒阻大变形锚索对顶板进行加固。 为使锚索 悬吊在上覆坚硬岩层， 确保锚索的锚固力， 需设计锚 索的长度不小于 H缝2.0m 外露长度 （0.3m ） ， 考虑 到顶板岩层分布、 巷道原有支护参数情况， 恒阻锚索 设计长度为 12.3m， 施工时至少超前工作面 100m， 具 体根据矿压显现情况调整。1226 工作面运输和材料 巷共布设 2 列恒阻大变形锚索， 第一列恒阻锚索距切 缝 钻 孔 400mm 距 回 采 侧 煤 帮 550mm ） ， 排 距 1000mm；第二列中线偏实体煤侧 200mm，排距 2000mm。恒阻锚索相邻锚索之间用 3mm280mmW 钢带连接 （平行于巷道走向 ） ， 恒阻锚索支护图如图 3 所示，恒阻大变形锚索直径取为 21.8mm，恒阻器长 450mm，直径 85mm，恒阻值为 32t，预紧力不小于 25t。1226 运输巷切缝钻孔布置及加强支护详情如图 4 所示。 图 41226 运输巷切缝钻孔布置及加强支护展开图 4应用效果监测 4.1恒阻锚索载荷监测 恒阻锚索载荷的监测是通过锚索测力计， 每个测 点布置 4 个测力计， 靠近回采帮和靠近实体煤帮各监 测两根锚索， 取两个读数的平均值， 靠近回采帮的为 1 锚索， 具体的监测结果如图 5 所示， 工作面推进至 测点处时，恒阻锚索受力基本等于其预紧力 250kN， 工作面推过测点后， 恒阻锚索的受力逐渐增大， 平最 终达到平衡，靠近实体煤壁侧的恒阻锚索载荷为 311kN， 靠近回采侧的锚索载荷略大于煤壁侧， 载荷 为 315kN， 锚索的载荷在回采工作面后方一定范围内 平稳增加最终趋于稳定， 且均为超过锚索的破断极限 （360kN ） ， 由此可知， 恒阻大变形锚索工作面状态良 好， 对巷道围岩稳定的控制起到了重要作用。 图 5巷道围岩表面位移观测结果图 4.2巷道表面位移量监测 为考察 1226 运输巷无煤柱沿空留巷的效果， 留 巷围岩稳定后，通过实地测量考察其断面收敛情况， 整理得到图 6 所示的结果， 距切眼 0～300mm范围内， 巷道断面收敛量很小， 平均约为 0.65m2， 留巷效果非 常好， 距切眼 300～8000m 范围内， 巷道断面收敛量平 均约为 2.0m2，巷道表面位移量仍控制在合理的范围 内， 经过简单的修复即可使用， 综上可知， 切顶卸压自 成巷无煤柱开采技术在 1226 运输巷应用效果良好。 图 6巷道变形情况监测结果 5结论和建议 为解决曙光煤矿矿井采掘接替紧张的难题， 提高 工作面采出率、 巷道利用率， 设计在 1226 工作面应用 切顶卸压自成巷无煤柱开采技术， 依据其详细的地质 条件进行理论分析、 数值计算， 设计采用 “切顶卸压 恒阻大变形锚索支护” 为主的留巷工艺， 现场应用及 监测结果表明， 留巷效果良好， 填补了汾西矿业集团 切顶卸压自成巷无煤柱开采技术空白， 本次研究成果 可作为汾西矿业集团类似条件下采用切顶卸压自成 巷技术借鉴， 其推广意义深远。 参考文献 （下转第 23 页） 20 ChaoXing （上接第 20 页） [1] 涂强,尹小强.沿空留巷矸石墙代替煤柱喷浆控制技术[J]. 煤矿安全,2019,50 （08） 75- 79. 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