吉宁煤矿托顶煤巷道切顶卸压顶板控制技术研究

吉宁煤矿托顶煤巷道切顶卸压顶板控制技术研究

李蔚1，2

1.山西焦煤集团有限责任公司；2.华晋焦煤有限责任公司；

摘要：为了探索研究托顶煤巷道条件下切顶卸压自动成巷支护技术，以吉宁煤矿2109工作面为工程背景，采用现场试验的实验方法，对托顶煤巷道破坏特征进行分析，研究托顶煤巷道切顶卸压条件下的联合支护效应。研究表明：沿空留巷托顶煤巷道因顶煤自身特性发生破裂会削弱恒阻锚索的锚固力，使得巷道发生大变形，直接顶上移。通过分析破碎机理，提出中空注浆锚杆索配合恒阻锚索联合支护，控制顶板裂隙发育变形，实现了大采高厚煤层托顶煤巷道条件下沿空留巷无煤柱开采，为切顶卸压的进一步推广奠定了理论和实践基础。

关键词：切顶卸压、巷道支护、托顶煤、联合支护

1引言：随着我国煤炭开采技术理论不断创新，支护手段不断提高，中国科学院何满潮院士首次提出了“110工法”，切顶卸压自动成巷，减少煤炭资源浪费，改善围岩应力环境，在我国得到广泛的应用。对于综采一次采全高的厚煤层，巷道断面大难支护，所留巷道易引发应力集中，矿压显现剧烈，巷道变形大的难题，我国学者曾对此做出了大量的研究：孟霄指出控制厚煤层巷道变形关键在于控制顶煤，利用长锚固厚层连续梁支护厚煤层巷道掘进；张涛研究了托顶煤巷道顶板与两帮相互作用机理，提出了长短锚索联合支护厚煤层托顶煤巷道等。

上述虽已对厚煤层开采巷道做了大量研究应用，但在支护对策方面大多数是针对121工法下巷道的加强支护研究设计，针对厚煤层切顶卸压沿空留巷的顶板控制研究较少，针对切顶卸压后的托顶煤巷道支护技术仍需进一步的研究。本文以华晋焦煤吉宁煤矿2109工作面为工程背景，对留巷段托顶煤巷道联合支护技术进行系统分析，解决托顶煤巷道变形大、难支护的问题。

2工程地质条件：

吉宁煤矿属于河东煤田乡宁规划矿区，设计年产量300万t，采用大采高综合机械化长壁开采，为解决留设煤柱开采造成资源严重浪费，因此对2109工作面进行了切顶卸压沿空留巷试验。

2109工作面向北与2101轨道顺槽相邻，向东、南分别距1#回风大巷50m，向西与1#轨道大巷相邻，开采2#煤层，工作面内煤层平均厚度7.05m，平均倾角1°；煤层节理发育，在煤层中下部夹一层泥岩矸石，平均厚度约0.25m；煤层厚度变化不大，属稳定煤层。2109综采工作面长161m，正巷长352m，副巷长323m，工作面至设计停采线290m，留巷段为2109正巷290m。

煤层伪顶为0.20m的泥岩，直接顶由4.70m的粉砂岩和3.70m的泥岩组成，基本顶为6.38m的细粒砂岩。

3顶板破坏机理

针对吉宁煤矿采高及巷道断面大，易导致巷道变形破坏严重的情况，采用恒阻锚索进行超前补强支护，配合切顶卸压爆破，形成短壁梁结构，成功阻断采空区上方顶板应力传递，将工作面采过后的巷道保留。

2109工作面巷道沿顶板掘进，受岩性走势变化影响，在里程260m-320m处存在厚度为0~3m不等的顶煤，滞后工作面的顶板受工作面采动后顶板来压影响，顶煤呈现出“酥、软、脆”的特性，裂隙发育，破碎顶板导致切顶形成的短壁梁悬顶部分所施工的锚杆索锚固力削弱甚至失效，不能充分发挥恒阻锚索的悬吊作用，使大采高下留巷顶板下沉量进一步加大，原直接顶破坏后成为极不稳定的伪顶，直接顶发生上移，严重影响留巷效果。

    针对上述情况进行分析：现有锚网支护方案与补强点单体液压支柱加固满足不了切顶卸压所留巷道围岩经采动影响不稳定的原由其一是顶煤破碎后强度降低，锚杆索对直接顶进而对直接顶所提供的补偿应力减弱，直接顶由三向应力状态转变为二向应力状态，直接顶在受二向应力挤压后承载力下降，裂隙构造进一步发育，围岩的稳固机理发生改变，无法充分发挥围岩自身的承载能力，端头锚固杆索被动压所剪切；二是巷道中原普通锚杆索被动支护支撑能力有限，在托顶煤顶板破碎后承载着无限的续压最终被迫折服；其三是恒阻锚索作为留巷主动支护的重要手段因顶煤破碎导致恒阻锚索虽未被续压破坏，但让压效果显著降低，使顶板下沉量逐渐增大，巷道变形加剧。

4联合支护设计

针对2109正巷托顶煤留巷变形特点，提出了“恒阻大变形锚索+中空注浆锚索+中空注浆锚杆”的联合支护控制所留巷道围岩变形。中空注浆锚杆索可用于煤矿井下巷道永久性支护，通过中空杆体对锚杆索支护进行压力注浆，所用矿用纳米无机浆料SUP-23是通过注浆泵注入破碎的煤岩体中，可以快速加固松散的煤岩体，有效防止破碎顶板冒落，这种联合支护手段特点突出、效果明显，可与岩体形成整体。

根据2109工作面正巷顶板托煤地段60米范围内顶部煤层松软，局部脱落形成网兜，个别普通锚杆索失效段，加入注浆锚杆索支护设计：采用SKZ22-1/1860矿用中空注浆锚索L＝6300mm；间排距为1600×3200mm，注浆压力为5~10Mpa；采用MZGK190-32/24矿用中空注浆锚杆L=3200mm，间排距为2000×3200mm，注浆压力为2~7Mpa，先用中空注浆锚杆注浆煤层后再采用中空锚索注浆岩层。

5现场应用

对留巷非托顶煤段（距留巷起始处5m）、托顶煤段（距留巷起始处60m）及托顶煤段注浆后（距留巷起始处102m）顶板下沉变化布设测点进行观测，对比测点变化情况，监测结果如图1所示.

图1 顶板下沉监测曲线图

可以发现，对于大采高厚煤层切顶卸压沿空留巷，顶板下沉会经历加速、减速、蠕变三个阶段。顶板坚硬完整时，最终下沉量在160mm左右；当顶板为托顶煤时，巷到明显受动压影响大于非托顶煤顶板，最终下沉量在275mm左右，与非托顶煤段十字测点相比，巷道变形量增大了约71.9%；当托顶煤顶板注浆后，整体变形情况一致，但受动压影响明显减弱，在滞后工作面距离170m时顶板即开始趋于稳定，最终下沉量208mm，与非托顶煤段十字测点相比，巷道变形量增大了约30%；顶板的整体下沉变形减少了41.9%，支护效果显著。

6结论

根据煤层作为直接顶来压后呈现出的“酥、软、脆”特性，提出控制厚煤层切顶卸压沿空留巷托顶煤巷道围岩稳定的关键在于控制顶煤的稳定。

基于顶煤破碎巷道变形原因分析，提出了联合支护方式，顶煤注浆后受回采动压影响明显减弱，达到围岩完整，协同变形，支护有效的目的。

参考文献

[1]何满潮，宋振骐，王 安，等． 长壁开采切顶短壁梁理论及其 110 工法—第三次矿业科学技术变革 ［J］． 煤炭科技，2017( 1) : 1－9．

[2]孟霄. 姚桥煤矿托顶煤巷道高效控顶与快速掘进技术研究[D].中国矿业大学，2021.

[3]张涛. 顶板长短锚索控制托顶煤巷道围岩稳定机理研究[D].中国矿业大学，2019.