李家楼煤业小煤柱切顶卸压护巷技术研究

高 飞

（太原东山李家楼煤业有限公司，山西 太原 030400）

我国井工煤矿开采中，相邻工作面间往往会留设较宽的护巷煤柱以降低相互采动影响，这样势必造成大量的煤柱损失于井下[1-3]。与此同时，在采动应力扰动下，下一回采工作面的巷道往往会受上一工作面采动压力影响，巷道变形严重、维护困难，给工作面安全回采及高产高效带来了一定困难[4-6]。为此，保证巷道稳定的同时实现煤柱资源的高效回收是矿山需要重点解决的问题[7-8]。在小煤柱切顶卸压方面研究中，郭海豹等[9]通过对某矿101 工作面采空区侧向悬顶断裂结构分析以及建立小煤柱载荷计算模型，提出采用爆破切顶预裂技术，以此降低基本顶的应力传递，达到主动调控压力，降低了煤柱上方的载荷；王炯等[10]提出了“切顶卸压预裂爆破技术”+“锚网索联合支护”的小煤柱沿空掘巷技术来应对传统小煤柱沿空掘巷在深部矿井所面临的问题，对在深部围岩应力大、巷道变形严重难以控制的沿空掘巷矿井实施切顶卸压小煤柱沿空掘巷有一定借鉴作用；郭勇[11]基于UDEC 数值模拟软件，模拟了不同切顶角度和切顶高度下煤柱帮和实体煤帮应力的变化，当切顶角度和切顶高度分别为12°和14 m时，对沿空掘巷起到良好的卸压效果，可以实现对围岩的主动调控。综合文献分析，小煤柱切顶卸压是有效解决这类问题的主要技术方法。以李家楼煤业1206 综采工作面为研究背景，通过分析切顶前后采空区侧向支承压力分布特征，提出切实可行的小煤柱切顶卸压护巷技术，提高矿井采出率的同时，保障巷道的稳定，对实现工作面安全高效开采具有重要实践意义。

1 概况

1206 工作面标高770～860 m，埋深260～330 m，南为1204 工作面，北为1208 工作面，东为井田边界，西为轨道下山。1206 工作面开采2 号煤层，煤层平均厚2.5 m，倾角7°，工作面长187 m，走向长度1114 m，采用走向长壁综采采煤法，全部垮落法管理顶板。工作面布置情况如图1。

图1 1206 工作面布置图

1206工作面采用宽煤柱护巷，煤柱宽度为25 m，双巷掘进。1206 胶带顺槽受邻近1204 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。另一方面，煤柱宽度留设大，造成大量煤炭资源损失。为此，从提高煤炭回收率及保证巷道稳定角度考虑，开展了小煤柱切顶卸压护巷技术研究。

2 切顶前后采空区侧向支承压力分布特征

2.1 数值模型建立

为了掌握1206 工作面开采完后的侧向支承压力分布规律，分别建立了无切顶和有切顶时1206工作面回采的两个模拟方案。以李家楼煤业为工程背景，在模型左右边界各留实体煤，以避免边界效应对模拟结果的影响。切顶高度15 m，切顶位置在1206 回风顺槽靠近煤柱帮。数值模型尺寸为长×宽×高=300 m×250 m×150 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1。

表1 煤岩体力学参数

2.2 数值模拟结果分析

有无切顶时1206 工作面回采后的侧向支承压力分布曲线如图2。随着与采空区距离的增加，侧向支承压力峰值距采空区6.03 m，为17.21 MPa，应力集中系数为2.29；切顶时，侧向支承压力降至12.03 MPa，应力集中系数降至1.6，相较于无切顶降低了30.0%。因此，切顶后的应力峰值降低，并且0～25 m 范围内的支承应力降幅明显，切顶可取得明显的卸压效果，侧向支承压力先增大后减小，最终趋于稳定。根据综采工作面采空侧煤岩体的变形特点，按照应力大小可以分为3 个区，即应力降低区Ⅰ（0～4.56 m）、应力增高区Ⅱ（4.56～25 m）和原岩应力区Ⅲ（25 m 以外）。

图2 有无切顶采空区侧向支承压力分布曲线

根据采空侧煤岩体支承压力分布规律，对于后续邻近1206 工作面的1208 运输顺槽布置方式可分为以下三种：1）在应力降低区Ⅰ中留煤柱的掘巷，即在破坏区中留煤柱，此时资源回收率高，但回采期间的围岩变形相对较大，且因煤柱破坏较严重，不利于防水、防瓦斯、防煤炭自燃；2）在应力增高区Ⅱ中留煤柱的掘巷，巷道处于高应力区，围岩压力大，巷道的变形量很大，通过采取切顶卸压技术，将巷道布置在卸压区域内可保证巷道的稳定；3）在原岩应力区Ⅲ中留宽煤柱，在该区域虽然有利于巷道的稳定，但是造成大量煤柱资源浪费。

综合以上分析，对于李家楼煤业提出小煤柱+全巷道切顶卸压方法，一方面提高资源回收率，另一方面通过切顶手段降低煤柱上的支承压力，保证巷道的稳定。具体留设煤柱宽度需通过数值模拟研究来确定。

3 护巷煤柱合理留设宽度确定方法

为进一步确定留设小煤柱的合理宽度，分别建立煤柱宽度为8 m、10 m 与12 m 的模拟方案，分析巷道切顶后不同宽度条件下煤柱塑性区分布、应力分布及巷道围岩变形规律。

1）不同宽度煤柱塑性区分布特征

不同宽度煤柱时的巷道围岩塑性区分布情况如图3。可以看出，随着煤柱宽度的增加，煤柱塑性区范围逐渐减小。当煤柱增至8 m 时，煤柱中部出现3～4 m 弹性区，弹性区面积为9.5 m2，占煤柱总面积的39.6%，说明煤柱有一定支撑能力，但支撑能力较弱；当煤柱宽度为10 m 时，弹性区面积为18.75 m2，占煤柱总面积的62.5%，弹性区面积大于50%，说明煤柱有较好的支撑能力；当煤柱宽度为12 m 时，煤柱弹性区的面积为23.5 m2，占煤柱总面积的65.3%，说明煤柱支撑能力较强。综合分析，煤柱宽度在10 m 以上时，弹性区面积大于50%，已具有一定的稳定性，且支撑能力较强，同时能够有效隔绝采空区。

图3 不同宽度煤柱围岩塑性区分布图

2）不同宽度煤柱垂直应力分布特征

不同宽度煤柱的围岩垂直应力分布情况如图4。可以看出，随着煤柱宽度的增大，煤柱上的应力峰值逐渐远离1208 运输顺槽。煤柱宽度为8 m、10 m与12 m 时的应力峰值依次为15.9 MPa、15.4 MPa和15.0 MPa，随着煤柱宽度的增大，应力峰值逐渐减小。

图4 不同宽度煤柱围岩垂直应力分布图

3）不同宽度煤柱位移分布特征

不同煤柱宽度时1208 运输顺槽的位移分布情况如图5。可以看出，随着煤柱宽度的增加，巷道围岩变形均呈现非对称性。随着煤柱宽度的增加，巷道底鼓量与顶板下沉量逐渐减小。当煤柱宽度分别为8 m、10 m 和12 m 时，巷道底鼓量分别为146 mm、113 mm 与93 mm，顶板下沉量分别为373 mm、293 mm 与273 mm。随着煤柱宽度的增加，煤柱帮移近量与实体煤帮移近量逐渐减小。当煤柱宽度分别为8 m、10 m 和12 m 时，煤柱帮移近量分别为378 mm、315 mm 与299 mm，实体煤帮移近量分别为249 mm、212 mm 与193 mm。

图5 不同宽度煤柱巷道位移分布图

根据不同煤柱宽度下巷道围岩的塑性区分布、应力分布和围岩变形规律，相较于8 m 煤柱，10 m煤柱与12 m 煤柱巷道变形较小。考虑到2 号煤层为高瓦斯煤层，过窄的煤柱内裂隙发育，易漏风，确定1208 工作面运输顺槽煤柱宽度为10 m。

4 小煤柱切顶卸压护巷方法

根据现场实际，提出在1206 回风顺槽超前20～30 m 范围实施超前深孔预裂爆破切顶，在回风顺槽煤柱帮上方顶板之间形成切缝，切断顶板应力传递路径，促进采空区侧顶板及时垮落。为保证切顶效果，切顶高度以穿透第5层细砂岩（厚5 m）为准，钻孔与顶板垂直方向的夹角0°，切顶深度为15 m。

深孔预裂爆破采用三级煤矿许用乳化炸药（适用于高瓦斯矿井、有煤与瓦斯突出的工作面），药卷规格为Φ35 mm×300 mm，300g/卷。为提高装药效率和爆破效果，装药时采用抗静电阻燃的聚能管，采用“O”型聚能管。考虑到其外壁钻孔质量等因素的影响，单根聚能管长度一般1.0～2.0 m，深孔预裂爆破选用单根长度分别为1.5 m 和2.0 m 的聚能管，采用黄沙、黄泥进行封孔。切顶卸压通道内靠近煤柱帮100 mm，沿巷道顶板平行布置一排炮孔，炮孔间距1.0 m，炮孔直径60 mm，深度15 m，炮孔垂直顶板，共布置1000 个炮孔。

为了确保炮眼内药包的完全引爆，采用正向装药，多雷管引爆。每孔使用10 m 聚能管（每孔需长度为2 m 的聚能管5 根、长度为1.5 m 的聚能管7 根），最后用水炮泥（或水沙袋）消焰，炮泥封孔。封孔时注意对爆破母线的保护，防止其磨损与绞缠，母线悬挂至孔壁上侧，并固定好。每孔装药量为10 kg，雷管10 发。雷管在孔内采用串联连接。

5 现场实践效果分析

1206 工作面留设小煤柱并实施超前预裂切顶卸压后，为保证1206 回风顺槽的稳定性，对巷道顶板实施“锚杆+金属网+W 钢带+锚索”补强支护，顶锚杆间排距为800 mm×900 mm，顶锚索间排距为1400 mm×1800 mm；对巷道两帮实施“锚杆＋金属网＋钢筋梯子梁+煤柱帮锚索”补强支护，帮锚杆间排距为850 mm×900 mm，煤柱帮锚索间排距为1000 mm×1800 mm。

小煤柱切顶卸压护巷技术实施前后巷道变形监测结果如图6。方案实施后，巷道顶底板及两帮变形量趋于稳定后分别为236 mm、168 mm、313 mm与185 mm，与实施前相比，巷道顶板及底板变形量分别降低35.4%与43.1%，巷道煤柱帮与回采帮变形量分别降低30.4%与40.3%，取得了显著效果。与此同时，采用小煤柱可多回收15 m区段护巷煤柱，提高矿井采出率，经济效益显著。

图6 巷道变形监测结果

6 结论

1）对1206 工作面实施切顶卸压后，侧向支承压力集中系数由切顶前的2.29 降至1.6，相较于未切顶降低了30.0%，卸压效果明显；通过采取切顶卸压技术，将巷道布置在卸压区域内，对煤柱资源回收与保证巷道稳定是十分必要的。

2）通过数值模拟分析，当煤柱宽度为10 m 时，弹性区面积大于50%，支撑能力较强，能够有效隔绝采空区，巷道整体变形与12 m煤柱宽度差别较小，由此确定合理煤柱宽度为10 m。

3）针对1206 回风顺槽及开切眼位置，研究提出了小煤柱超前深孔预裂爆破切顶方法，以及巷道顶板采用“锚杆+金属网+W 钢带+锚索”补强支护，两帮采用“锚杆＋金属网＋钢筋梯子梁+煤柱帮锚索”补强支护方法。通过现场实践，巷道顶板及底板变形量分别降低35.4%与43.1%，巷道煤柱帮与回采帮变形量分别降低30.4%与40.3%，取得了显著的护巷效果。