厚煤层煤巷小煤柱切顶护巷技术研究

2022-05-16茹磊

山东煤炭科技 2022年4期

茹磊

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿，山西方山 033000）

1 工程概况

霍州煤电集团木瓜煤矿位于山西省吕梁市方山县大武镇木瓜村，9#煤层和10#煤层间距0.35～0.7 m，因此合并开采。合并后煤层总厚度为2.81～5.73 m，平均厚度4 m，煤层倾角为8°～14°，平均倾角8°，煤层结构简单，全区可采。9#+10#煤层顶底板岩性见表1。

表1 9#+10#煤层顶底板岩性

9#+10#煤层厚度大，为减少相邻工作面的回采扰动，原设计留设20 m 的区段煤柱，造成煤炭资源的巨大浪费。因此，提出对巷道顶板岩层进行预裂爆破达到切顶卸压的目的[1-4]，以减小区段煤柱尺寸。

2 方案设计

2.1 切顶参数设计

10-201 工作面回风巷为矩形断面，断面尺寸为宽×高=5400 mm×4000 mm，巷道支护形式如图1。顶锚杆选用规格为Ф20 mm×2000 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为1000 mm×1200 mm，顶锚索为Ф18.9 mm×5300 mm，间排距为2000 mm×2400 mm，帮锚杆选用规格为Ф20 mm×2000 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为1200 mm×1200 mm。

图1 原支护方案设计（mm）

9#+10#煤层上覆岩层均厚依次为2.5 m 的泥岩、2.57 m 的灰岩、2.3 m 的泥岩和7.7 m 的灰岩。上覆岩层中，2.57 m 的灰岩和7.7 m 的灰岩厚度较大，且硬度较大，完整性较好，当工作面回采后，破断、变形过程中对采场应力影响较大，需采用预裂爆破的方式将其切断。如果预裂爆破孔与竖直方向夹角太小，则回采巷道支护难度增大，顶板岩层有较大失稳风险；预裂爆破孔与竖直方向夹角太大时，要保证切断最上方7.7 m 的灰岩，需要更深的预裂爆破孔。参考临近矿井切顶卸压现场施工效果及本矿井施工条件，确定预裂爆破孔与竖直方向夹角为15°，深度为16 m，即可保证切断最上方7.7 m 厚的灰岩，回采巷道顶板岩层也不会很容易失稳。从安全角度考虑，将原有长度为5300 mm 的锚索改为8300 mm 的锚索，并在预裂爆破孔一侧多布置一根锚索，同时将巷道肩角位置锚杆改为垂直施工，最终切顶及支护方案如图2。

图2 切顶及支护参数示意图

2.2 煤柱合理宽度

为确定煤柱的合理尺寸，借助FLAC3D模拟软件，模拟对巷道顶板岩层进行预裂爆破条件下，煤柱宽度分别为6 m、8 m、10 m、12 m 时巷道围岩塑性范围。煤层及顶底板岩层力学参数见表2，巷道围岩塑性区模拟效果如图3。

表2 煤层及顶底板岩层力学参数

如图3 所示可知，当区段煤柱宽度为6 m 时，大部分煤柱均为塑性区，仅在煤柱上端及下端小范围为弹性区，表明煤柱宽度为6 m 时，大部分煤柱均处于塑性状态，支撑能力较差；当区段煤柱宽度为8 m 时，煤柱塑性区范围有所降低，而弹性区范围有所增大，弹性区面积占煤柱总面积的53.2%，虽然支撑能力较好，但是由于煤柱中心区域仍处于塑性状态，存在较大的安全隐患；当区段煤柱宽度为10 m 时，煤柱塑性区面积进一步减小，相应的弹性区面积随之增大，占到煤柱总面积的61.3%，且煤柱中心区域处于弹性状态，此时煤柱支撑能力良好；当区段煤柱宽度为12 m 时，煤柱弹性区面积进一步增大，占煤柱总面积的70.2%，塑性区面积仅占29.8%，此时煤柱支撑能力进一步增强，但是随着煤柱宽度的增大，煤炭资源浪费量也随之增大。

图3 不同煤柱宽度巷道围岩塑性区范围

综上所述，区段煤柱宽度为10 m 时，煤柱支撑能力良好，已能够满足矿方安全生产要求，因此区段煤柱合理宽度设计为10 m。

3 工业性试验

对10-201 工作面回风巷采帮侧顶板岩层进行预裂爆破，按照前述设计参数，预裂爆破孔深16 m，与竖直方向夹角为15°。根据现场试验结果，预裂爆破孔间距为500 mm 时，预裂效果较好。为减少炸药爆破时对巷道顶板岩层的扰动影响，将炸药置于聚能管中，聚能管定向爆破原理如图4。聚能管两侧有聚能槽，炸药爆炸时爆轰波将沿聚能槽方向定向传播，在切断顶板岩层的同时，对巷道顶板其他范围的岩层产生较小扰动，起到保护巷道顶板的效果。

图4 聚能管定向爆破原理

按照前述设计，10-201 工作面与10-203 工作面之间留设宽度为10 m 的区段煤柱，每隔50 m 布置一个测站，用于监测10-201 工作面回采过程中巷道围岩变形量及锚杆受力变化情况，测点布置如图5，现场监测曲线如图6。

图5 现场测站布置图

如图6（a）所示，随着10-201 工作面的推进，10-203 运输巷顶底板移近量随之增大。在距离10-201 工作面50 m 范围内（超前10-201 工作面50 m及滞后10-201 工作面50 m，共100 m 范围），巷道顶底板移近量增大较快；在滞后10-201 工作面50～100 m 范围内时，巷道顶底板移近量增幅逐渐减小；滞后10-201 工作面100 m 以后，巷道顶底板移近量基本不再发生变化。最终三个测站监测得到的巷道顶底板移近量最大值分别为70 mm、74 mm、69 mm。如图6（b）所示，巷道两帮移近量变化趋势与顶底板移近量变化趋势基本相近，同样是在距离10-201 工作面50 m 范围内，巷道两帮移近量增大较快；在滞后10-201 工作面50～100 m 范围内时，巷道两帮移近量增大幅度逐渐放缓；滞后10-201 工作面100 m 以后，巷道两帮基本处于稳定状态。最终三个测站监测得到的巷道两帮移近量最大值分别为59 mm、84 mm、67 mm。如图6（c）所示，在10-201 工作面回采过程中，10-203 运输巷锚杆受力呈现实体煤帮侧＞顶板＞煤柱侧的特点，当锚杆受力稳定后，实体煤帮侧、顶板及煤柱侧锚杆受力分别为10 MPa、9.45 MPa 及8.65 MPa。结果表明，锚杆工作状态良好，且对10-201 回风巷顶板岩层进行预裂爆破后，确实起到了卸压的效果，煤柱侧锚杆受力明显较小。