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）

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1 1226 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300×300×12mm 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Φ20×2400mm 的左旋螺纹钢锚杆，上部三根帮锚杆配合规格为L=1900mm 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400×280mm 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850×1000mm。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φ21.6×6500mm 的钢绞线配合300×300×12mm 的四方铁板进行支护。顶帮金属网采用1100mm×2800mm 和1100mm×5000mm 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，K=1.3，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3 1226 运输巷留巷支护示意图

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3mm×280mmW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4 1226 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。