檸條塔煤礦切頂卸壓自成巷技術(shù)研究及應(yīng)用

高 亮，付 強(qiáng)，周開放，王宏宇，劉斌慧，魏慶龍

(1.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)采礦技術(shù)也在不斷的進(jìn)步。煤炭開采技術(shù)與裝備水平得到極大提升[1],并經(jīng)歷了以下階段：第一階段為20世紀(jì)60～70年代，錢鳴高[2-3]提出“砌體梁”理論，首次完整論述了采空區(qū)上覆壓力傳遞和平衡方法，并形成了長(zhǎng)臂開采的一個(gè)工作面提前開掘兩條巷道，為我國(guó)采礦技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)；第二階段以宋振騏等[4-5]“傳遞巖梁”理論為主體，通過分析高應(yīng)力區(qū)礦壓分布方式，發(fā)現(xiàn)了區(qū)內(nèi)存在內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)，提出了小煤柱工法，為提高煤炭回收率做出了貢獻(xiàn)。但由于我國(guó)煤炭資源的逐漸減少，迫使在采煤過程中應(yīng)該更加重視煤炭回收率。隨著開采深度的增加，留設(shè)煤柱上方應(yīng)力集中引起的巷道圍巖大變形、沖擊地壓、煤(巖)爆以及煤與瓦斯突出等地質(zhì)災(zāi)害十分嚴(yán)重[6]。因此，嚴(yán)峻的“安全、資源節(jié)約和開采成本”問題已成為當(dāng)前制約我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展的瓶頸和突出問題[7-8]，我國(guó)煤炭必需通過技術(shù)創(chuàng)新、裝備創(chuàng)新推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。

“切頂短臂梁”理論是通過在回采巷道將要形成的采空區(qū)側(cè)頂板進(jìn)行定向預(yù)裂，切斷頂板的應(yīng)力傳遞路徑，縮短頂板懸臂梁的長(zhǎng)度，從而減小采空區(qū)側(cè)巷幫受到回采動(dòng)壓的影響?；凇扒许敹瘫诹骸崩碚摚螡M潮等[9]創(chuàng)新性地提出了回采整個(gè)盤區(qū)工作面，無需提前掘進(jìn)回采巷道，無需留設(shè)區(qū)段煤柱的切頂卸壓自成巷新技術(shù)，并提出了相應(yīng)的關(guān)鍵工藝和與之配套裝備系統(tǒng)，使回采巷道掘進(jìn)和工作面采煤實(shí)現(xiàn)一體化，最終在無需提前掘進(jìn)回采巷道的條件下實(shí)現(xiàn)無煤柱開采。

目前，該技術(shù)已于陜煤檸條塔煤礦S1201-Ⅱ工作面成功試驗(yàn)，并取得了良好的應(yīng)用效果。因此，本文以檸條塔煤礦切頂卸壓自成巷生產(chǎn)試驗(yàn)為工程背景，對(duì)切頂卸壓自成巷的技術(shù)原理、關(guān)鍵工藝和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行了總結(jié)。

1 理論基礎(chǔ)及技術(shù)原理

1.1 理論基礎(chǔ)

以“切頂短臂梁”理論為基礎(chǔ)，通過頂板定向切縫技術(shù)切斷采空區(qū)頂板與巷道頂板壓力傳遞，使巷道頂板形成“切頂短臂梁”，從而減少采空區(qū)頂板變形和垮落對(duì)巷道頂板帶來的影響，減小應(yīng)力集中，保證巷道圍巖穩(wěn)定性。其力學(xué)模型見圖1。

圖1 切頂短臂梁力學(xué)模型(資料來源：文獻(xiàn)[6])

圖1中，G為直接頂巖層重量，σh為水平應(yīng)力分量，Hc為頂板切縫深度，τ為切縫面的剪切力，L為工作面傾向長(zhǎng)度，L0為巷道寬度，α為切縫角度，F(xiàn)h為水平力應(yīng)，T為剪應(yīng)力。在頂板切縫作用下，采空區(qū)頂板沿設(shè)計(jì)的切縫面垮落，根據(jù)靜力平衡理論，可以推導(dǎo)切縫面的平衡方程，見式(1)和式(2)。

N=Fh·cosα-G·sinα

(1)

T=G·cosα-Fh·sinα

(2)

式中：N為正應(yīng)力；T為切縫面剪應(yīng)力；g為重力加速度；其他變量含義同上文。

切縫面的摩擦力可表示為式(3)。

Fφ=(G·sinα-Fh·sinα)tanφ+CA

(3)

式中：Fφ為摩擦阻力；C為滑動(dòng)平面黏聚力(黏聚力的單位為kN/m2,則黏聚力與面積平方米相乘等于力，單位為kN)；A為單位長(zhǎng)度切縫平面的面積；其他變量含義同上文。

該平面上的極限平衡方程表達(dá)為式(4)。

T=∑γiHi(cosα-λsinα)tanφ+CA

(4)

式中：Hi為關(guān)鍵塊及上覆軟弱巖層的厚度，m；γi為關(guān)鍵塊及其上覆軟弱巖層的各層容重，kN/m3；其他變量含義同上文。

由于切斷了采空區(qū)部分頂板和巷道頂板之間的應(yīng)力傳遞，從而使巷道頂板形成短臂梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一端延伸至煤體深部穩(wěn)定位置，另一端沿頂板切縫斷裂。上覆巖層變形、下沉過程中，巷道頂板在采空區(qū)垮落矸石斜撐力、NPR恒阻錨索支護(hù)力共同作用下保持穩(wěn)定。當(dāng)采空區(qū)垮落矸石壓實(shí)后，上位頂板將形成新的穩(wěn)定支承結(jié)構(gòu)，此時(shí)支承壓力已轉(zhuǎn)移至煤體深部，巷道圍巖處于卸壓區(qū)內(nèi)從而保證巷道穩(wěn)定。

1.2 技術(shù)原理

傳統(tǒng)的采煤技術(shù)工作面回采過程中需提前掘進(jìn)兩條回采巷道，用于通風(fēng)、行人和運(yùn)輸；下一個(gè)工作面回采時(shí)，兩工作面間留設(shè)一個(gè)區(qū)段煤柱，用來保護(hù)下一區(qū)段回采巷道不被破壞。其巷道布置方式見圖2。

切頂卸壓自成巷技術(shù)創(chuàng)新性地改變了傳統(tǒng)采煤技術(shù)回采巷道布置方式和采掘模式，利用一系列關(guān)鍵工藝和配套裝備，實(shí)現(xiàn)采煤過程中在工作面后方自動(dòng)形成一條巷道的開采模式，其巷道布置方式見圖3和圖4。

第一個(gè)工作面回采時(shí)，首先沿盤區(qū)(采區(qū))四周邊界布置一條集中回風(fēng)巷、長(zhǎng)切眼和運(yùn)輸順槽。開采首采面時(shí)，工作面一側(cè)為已掘的運(yùn)輸順槽，另一側(cè)則在回采過程中一邊采煤一邊形成一條回風(fēng)順槽。

回采下續(xù)工作面時(shí)，一側(cè)為上區(qū)段工作面回采后留下的回風(fēng)巷道，作為本工作面的運(yùn)輸順槽使用；同時(shí)，工作面另一側(cè)繼續(xù)采用該技術(shù)和配套裝備在回采過程中形成新的巷道，由此往復(fù)直至盤區(qū)(采區(qū))所有工作面回采完成，如圖4所示。

圖2 傳統(tǒng)有煤柱巷道布置

圖3 首采面巷道布置示意圖

圖4 后續(xù)工作面巷道布置示意圖

2 關(guān)鍵工藝

2.1 實(shí)體煤幫成巷技術(shù)

對(duì)于傳統(tǒng)采煤技術(shù)，工作面回采前需提前在兩側(cè)掘進(jìn)回采巷道。采煤機(jī)運(yùn)行至端頭割煤時(shí)，只需割透兩條巷道的內(nèi)側(cè)煤壁即可，見圖5。因此，應(yīng)用于傳統(tǒng)采煤技術(shù)條件下的常規(guī)開采技術(shù)和裝備，無法實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)超越刮板機(jī)機(jī)頭(機(jī)尾)進(jìn)行割煤和裝煤的功能。

在本技術(shù)中，工作面機(jī)頭為上區(qū)段工作面回采后已形成的巷道，機(jī)尾需在工作面回采過程中邊采煤邊形成一條新的回采巷道，這就要求工作面采煤裝備在正常的采煤過程中必須具備超越刮板機(jī)機(jī)尾割煤的能力，以便割出預(yù)成巷道的頂板和實(shí)體煤幫邊界輪廓，見圖6。

2.2 自成巷道技術(shù)

自動(dòng)成巷技術(shù)包括頂板切縫技術(shù)、恒阻大變形錨索支護(hù)技術(shù)和擋矸支護(hù)技術(shù)。具體的成巷工藝見圖7。

圖5 傳統(tǒng)有煤柱端頭割煤示意圖

圖6 切頂卸壓自成巷技術(shù)端頭割煤示意圖

圖7 自動(dòng)成巷工藝示意圖

1) 頂板切縫技術(shù)。首先通過定向切縫技術(shù)沿?cái)M成巷道邊緣切縫線(圖7中“1”位置)施工一排切縫鉆孔，然后利用頂板定向切縫技術(shù)在切縫鉆孔內(nèi)進(jìn)行定向切縫，最終使巷道頂板沿軸線形成一個(gè)連通的切縫結(jié)構(gòu)面，從而改變頂板應(yīng)力傳遞路徑，減少頂板旋轉(zhuǎn)對(duì)巷道的作用力，有利于巷道的穩(wěn)定性。

2) 恒阻大變形錨索支護(hù)技術(shù)。切縫同時(shí)，采煤機(jī)割出擬留巷道空間，需要及時(shí)對(duì)該空間范圍內(nèi)的頂板進(jìn)行支護(hù)。在該技術(shù)實(shí)施過程中，留巷要經(jīng)歷初期采動(dòng)影響變形、采場(chǎng)頂板來壓影響變形、二次回采動(dòng)壓變形等多個(gè)變形階段，巷道圍巖具有顯著的大變形特征，這就要求支護(hù)材料必須具有較大的變形能力以適應(yīng)巷道的大變形特征。而目前煤礦巷道普遍采用的支護(hù)材料當(dāng)屈服伸長(zhǎng)達(dá)至極限(一般為3.5%～18%)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生破壞。而本技術(shù)則采用的何滿潮研發(fā)的一種能適應(yīng)巷道大變形的NPR恒阻大變形錨索(圖7中“2”位置)，此錨索既能吸收變形還能保持恒阻，從而有利于頂板的穩(wěn)定性。

3) 擋矸支護(hù)技術(shù)。通過沿?cái)M形成的巷道邊緣進(jìn)行頂板定向切縫，切斷采空區(qū)部分頂板和巷道頂板之間的應(yīng)力傳遞，進(jìn)而使采空區(qū)頂板在礦山壓力作用下自行垮落并不影響巷道穩(wěn)定，同時(shí)，利用巖石的碎脹性，使垮落的巖石體積變大后對(duì)采空區(qū)頂板實(shí)現(xiàn)支撐作用。然后，利用擋矸支護(hù)技術(shù)和擋矸支架(圖7中“3”位置)對(duì)采空區(qū)垮落矸石進(jìn)行擋矸支護(hù)，使垮落矸石沿?fù)蹴分ёo(hù)結(jié)構(gòu)逐漸堆積，并經(jīng)上覆巖層壓實(shí)后形成穩(wěn)定的矸石幫。

3 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 工作面工程地質(zhì)條件

檸條塔煤礦S1201-Ⅱ工作面位于2-2煤層，工作面傾向長(zhǎng)度280 m，走向長(zhǎng)度2 344 m，煤層厚度3.81～4.35 m，煤層平均厚度4.11 m，埋藏深度90～165 m，煤層賦存穩(wěn)定，煤層傾角近水平。工作面巷道布置見圖8。

圖8 S1201-Ⅱ工作面巷道布置圖

工作面基本頂為中粒砂巖，厚5.4～21.5 m，具大型交錯(cuò)層理；直接頂為粉砂巖，厚0.78～4.05 m，灰色薄層狀，含植物碎屑化石，具水平及波狀層理；直接底為粉砂巖，厚1.8～16.3 m，夾細(xì)粒砂巖薄層，并與之互層，見有劈理；老底為細(xì)粒砂巖，厚3.2～19.6 m，具波狀層理。

3.2 頂板定向切縫參數(shù)

根據(jù)巖石自身碎脹特性，當(dāng)采空區(qū)頂板垮落后，其體積較完整巖體增大。若垮落巖石能夠完全充填采出空間，則垮落巖石自身可對(duì)上覆巖層有效支撐，從而避免上覆巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)巷道圍巖產(chǎn)生的集中應(yīng)力。因此，理論上頂板切縫高度應(yīng)不小于巖層垮落后能夠完全充滿采出空間的巖層厚度，其值計(jì)算見式(5)。

Hf=(Hm-Hd-Hg)/(K-1)

(5)

式中：Hf為頂板切縫高度，m；Hm為采煤高度，m；Hd為采空區(qū)上覆巖層彎曲下沉量，m；Hg為采空區(qū)底板鼓起量，m；K為頂板巖石碎脹系數(shù)。為了安全起見，計(jì)算時(shí)Hd、Hg一般取值為0。

根據(jù)理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，本次頂板切縫深度取9.0 m。為了減小采空區(qū)頂板沿裂縫面垮落時(shí)與巷道頂板之間產(chǎn)生的摩擦阻力，切縫角度確定為10°，向采空區(qū)側(cè)傾斜。

3.3 巷道支護(hù)參數(shù)

1) 頂板支護(hù)。檸條塔煤礦S1201-Ⅱ工作面留巷寬度6 200 mm，高度3 750 mm。根據(jù)前期S1201工作面110工法生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果，留巷頂板每排布置5根恒阻值為35 t的恒阻大變形錨索，錨索排距設(shè)計(jì)為一個(gè)采煤步距(800 mm)。恒阻錨索鋼絞線長(zhǎng)度取10.5 m(大于切縫高度)，鋼絞線直徑21.8 mm。沿巷道走向每3根恒阻錨索采用1根長(zhǎng)1.9 m的W鋼帶連接。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)斷面見圖9，支護(hù)設(shè)計(jì)平面見圖7。

2) 實(shí)體煤幫支護(hù)。采用“玻璃鋼錨桿+8#鉛絲網(wǎng)”進(jìn)行支護(hù)，每排3根錨桿，錨桿長(zhǎng)度1.6 m，錨桿直徑18 mm，錨桿間排距為1 200 mm×800 mm。

圖9 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)斷面圖

3.4 擋矸支護(hù)參數(shù)

采用“擋矸支架+U型鋼+金屬網(wǎng)”進(jìn)行擋矸支護(hù)。U型鋼間距為600 mm，U型鋼豎直布置，并使用鐵絲將其與金屬網(wǎng)連接固定。安裝完成后利用檔矸支架側(cè)向擋矸橫梁抵緊U型鋼，擋矸U型鋼布置側(cè)視圖見圖10。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

該技術(shù)的成功應(yīng)用，有效解決了該礦原采用留煤柱開采方式存在的“掘巷工程量大、資源浪費(fèi)嚴(yán)重、生產(chǎn)接續(xù)緊張”等問題，回收煤柱資源帶來直接經(jīng)濟(jì)效益1.04億元(煤炭當(dāng)時(shí)價(jià)格420元/t)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果見圖11～13。

圖10 擋矸支護(hù)設(shè)計(jì)側(cè)視圖

圖11 檸條塔煤礦實(shí)體煤側(cè)成巷效果

圖12 檸條塔煤礦采空區(qū)側(cè)成巷效果

圖13 檸條塔煤礦整體成巷效果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，留巷過程中工作面后方0～150 m范圍內(nèi)屬于壓力變化區(qū)，留巷圍巖變形增長(zhǎng)速度較快；工作面后方150 m以外，采空區(qū)垮落矸石壓實(shí)穩(wěn)定，留巷圍巖變形基本不再增。留巷內(nèi)頂?shù)装逡平孔畲笾导s78.54 mm，完全滿足下一工作面使用要求，典型的位移監(jiān)測(cè)曲線見圖14(N1測(cè)點(diǎn)為距工作面切眼10 m位置，N4測(cè)點(diǎn)為距工作面切眼90 m位置)。

圖14 試驗(yàn)巷道頂?shù)装逡平O(jiān)測(cè)

5 結(jié) 論

1) 以切頂卸壓為理論基礎(chǔ)，分析了切頂卸壓自成巷新技術(shù)的技術(shù)原理，與傳統(tǒng)采煤技術(shù)相比，切頂卸壓自成巷技術(shù)無需提前掘進(jìn)，無需留設(shè)煤柱，并系統(tǒng)的闡述了切頂卸壓自成巷新技術(shù)的關(guān)鍵工藝。

2) 根據(jù)陜煤檸條塔煤礦S1201-Ⅱ工作面的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和工程地質(zhì)條件，確定了首個(gè)采留一體化的切頂卸壓自成巷試驗(yàn)工作面關(guān)鍵工藝參數(shù)。

3) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果圖及監(jiān)測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)測(cè)點(diǎn)(N1)和監(jiān)測(cè)位移量最大測(cè)點(diǎn)(N4)的頂?shù)装逡平勘O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可知切頂卸壓自成巷技術(shù)成巷效果很好，并且在滯后工作面150 m以后，巷道變形基本穩(wěn)定，最大穩(wěn)定位移量為78.54 mm。留巷效果顯著，在節(jié)約煤炭資源、節(jié)省開采成本、緩解巷道接替緊張等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。