哈拉溝煤礦切頂卸壓自動(dòng)成巷無煤柱開采技術(shù)

張志杰

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

沿空留巷作為一項(xiàng)有利于礦井安全生產(chǎn)和改善礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的護(hù)巷方式，不僅可以合理開發(fā)煤炭資源，還由于少掘進(jìn)一條巷道，緩和了礦井生產(chǎn)接替的矛盾。李化敏[1]根據(jù)平頂山某煤礦沿空留巷礦壓觀測(cè)規(guī)律，分析了沿空留巷不同時(shí)期頂板的活動(dòng)規(guī)律和特征，提出了對(duì)應(yīng)的巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)原則；周華強(qiáng)等[2]提出沿空巷道支護(hù)體系采取U型鋼支架+錨網(wǎng)索+水泥漿注漿+沿空巷道巷旁充填支護(hù)方式，形成了沿空留巷工藝體系；孫恒虎[3]運(yùn)用彈塑性力學(xué)理論將頂板簡(jiǎn)化為層狀組合板，并推導(dǎo)得出沿空留巷巷旁支護(hù)體的荷載主要來自于層狀組合板短支撐邊界。

傳統(tǒng)沿空留巷技術(shù)基本上實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采，但未改變上覆巖層的傳力結(jié)構(gòu)，臨近工作面煤體上方存在明顯應(yīng)力集中，巷道容易失穩(wěn)等問題。何滿潮[4-5]提出，對(duì)沿空巷道頂板實(shí)施超前預(yù)裂，將巷道圍巖應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到深部，實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定，取得了良好的效果。王維維[6]在深孔爆破基礎(chǔ)上，對(duì)沿空巷道預(yù)先深孔爆破，降低了護(hù)巷體承受的頂板壓力。劉小強(qiáng)[7]總結(jié)出在軟巖巷道切頂留巷，不需二次維護(hù)，可保持巷道較大斷面，滿足通風(fēng)需求。為進(jìn)一步擴(kuò)大該技術(shù)的應(yīng)用范圍，文中以哈拉溝煤礦12201綜采工作面為工程背景，對(duì)淺埋煤層切頂卸壓沿空留巷技術(shù)進(jìn)行研究。

1 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

該技術(shù)采用爆破預(yù)裂頂板，在采場(chǎng)周期來壓下沿空切頂，形成對(duì)上覆基本頂巖梁的支撐結(jié)構(gòu)，控制基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)和下沉變形，實(shí)現(xiàn)卸壓；切落的頂板形成巷幫，隔離采空區(qū)，從而保留了工作面下平巷，實(shí)現(xiàn)單面單巷采掘模式。

1.2 技術(shù)關(guān)鍵

雙向聚能張拉成型爆破預(yù)裂：雙向聚能爆破的實(shí)質(zhì)是通過雙向聚能裝置導(dǎo)向和抑制作用，對(duì)爆轟產(chǎn)物產(chǎn)生雙向聚能效應(yīng)，使非設(shè)定方向上的圍巖均勻抗壓，而設(shè)定的2個(gè)方向上集中受拉，在張應(yīng)力的作用下實(shí)現(xiàn)巖體的定向斷裂[8-10]。要使雙向聚能裝置達(dá)到聚能張拉的效果，一方面，要求聚能裝置具有一定的強(qiáng)度，以減少爆轟產(chǎn)物對(duì)預(yù)留圍巖的損傷；另一方面，要求聚能管強(qiáng)度不能過大，以減少作用于聚能裝置上的能量消耗和減少裝置成本。作用機(jī)理圖如圖1所示。

圖1 聚能拉張作用機(jī)理圖

橫阻大變形錨索：傳統(tǒng)錨索支護(hù)僅能承受一次圍巖變形，且變形量有限，當(dāng)工作面采用切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)后，下一工作面沿空側(cè)順槽需要承受3次圍巖變形的影響，首先是預(yù)裂爆破時(shí)，爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波影響，其次是工作面推過后，采場(chǎng)上覆巖層的應(yīng)力傳遞的影響，最后是下一工作面開采時(shí)超前應(yīng)力的影響。采用恒阻大變形錨索能夠很好地解決巷道3次受力的影響。恒阻大變形錨索不僅能夠承受圍巖的大變形，同時(shí)能夠吸收圍巖釋放的膨脹能以及其他非線性能量，采用恒阻大變形錨索能夠很好地解決巷道3次受力的影響。支護(hù)原理圖如圖2所示。

a-圍巖變形前；b-圍巖變形中；c-圍巖變形后圖2 恒阻大變形錨桿(索)支護(hù)原理

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

哈拉溝煤礦12201綜采工作面長(zhǎng)320 m，切眼至停采線長(zhǎng)度747 m，沿空留巷長(zhǎng)580 m，平均煤厚1.9 m，工作面平均采高2 m。煤層埋深60～100 m，直接頂為粉砂巖，均厚1.84 m；直接頂上部為12上煤層，均厚1.56 m；12上煤層上部為均厚1.35 m的泥巖。老頂由均厚為3.34 m的細(xì)粒砂巖和均厚為4.05 m的粉砂巖組成。

2.2 沿空留巷設(shè)計(jì)參數(shù)

切頂高度：通過定向聚能爆破技術(shù)對(duì)煤層頂板定向切割裂縫，從順槽頂板平面到切縫向上發(fā)育的最大垂直距離稱為切頂高度。根據(jù)何滿潮院士提出切縫高度理論計(jì)算公式可知：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(1)

式中：ΔH1—頂板下沉量，m；ΔH2—底鼓量，m；K—碎脹系數(shù)，1.3～1.5；本次K取1.3，在不考慮底鼓、頂板下沉，僅考慮采高的影響，則H縫=6.7 m，考慮到本工作面煤層頂板屬于復(fù)合頂板，頂板下沉量和底板鼓起量，確定本次預(yù)裂切縫孔深度為6 m。

切縫角度：垂直巷道頂板切縫，采空區(qū)懸空區(qū)范圍小，巷道實(shí)體煤幫處豎向應(yīng)力較大，頂板垮落不徹底，且頂板垮落緩慢，矸石垮落過程中與巷道頂板巖層易產(chǎn)生動(dòng)態(tài)切應(yīng)力，不利于巷道穩(wěn)定；10°偏轉(zhuǎn)角切縫，采空區(qū)懸空范圍較小，頂板垮落速度較快，超前應(yīng)力區(qū)域形狀規(guī)則、范圍較小，留巷側(cè)側(cè)應(yīng)力集中，距順槽較遠(yuǎn)；20°偏轉(zhuǎn)角切縫，采空區(qū)懸空范圍最大，容易造成更大的頂板回轉(zhuǎn)變形量及離層量，所需支護(hù)強(qiáng)度較大，頂板垮落較快。通過對(duì)相似開采條件的礦井實(shí)際調(diào)查，切縫存在明顯角度效應(yīng)，不但能夠影響采空區(qū)頂板垮落，還能夠影響應(yīng)力集中區(qū)分布；適宜的切縫偏轉(zhuǎn)角有利于采空區(qū)頂板垮落，有助于使采場(chǎng)應(yīng)力分布更加合理。因此確定本次最佳切縫角度為10°。

2.3 支護(hù)參數(shù)

根據(jù)恒阻大變形錨索的支護(hù)機(jī)理的分析可知，恒阻大變形錨索不僅能夠承受圍巖的大變形，同時(shí)能夠吸收圍巖釋放的膨脹能以及其他非線性能量，為此在設(shè)計(jì)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合本研究?jī)?nèi)容，確定哈拉溝煤礦12201運(yùn)順的圍巖變形的關(guān)鍵部位為切縫側(cè)，在靠近切縫側(cè)補(bǔ)打恒阻大變形錨索，支護(hù)斷面如圖3所示。

圖3 橫阻錨索支護(hù)斷面圖

此時(shí)工作面前方主要?jiǎng)澐譃?個(gè)礦壓區(qū)域：切頂影響區(qū)、中部未影響區(qū)和未切頂影響區(qū)。切頂沿空留巷礦壓分區(qū)如圖4所示。

圖4 切頂沿空留巷礦壓分區(qū)

3 礦壓監(jiān)測(cè)

3.1 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

根據(jù)工作面礦壓分區(qū)的情況，選擇5#、10#、20#、90#、100#、125#和165#共7個(gè)液壓支架進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，其中5#、10#、20#支架位于切頂影響區(qū)，90#、100#支架位于中部未影響區(qū)，125#和165#支架位于未切頂影響區(qū)。

5#、10#、20#支架在工作面開始回采階段處于雙巷掘進(jìn)影響區(qū)，推至173 m時(shí)3個(gè)支架步入切頂影響區(qū)。5#、10#、20#支架在上述2個(gè)階段的周期來壓步距統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 周期來壓步距

3個(gè)支架在隨工作面推進(jìn)的過程中經(jīng)過切頂影響區(qū)2個(gè)階段的支架荷載統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 支架荷載

由表2可知：切頂影響區(qū)較傳統(tǒng)雙巷掘進(jìn)影響區(qū)，周期來壓最大值減少10～12 MPa，減少約20%?；卷敂嗔巡骄嘣龃螅Ъ芄ぷ髯枇p小，表明在切頂爆破的影響下，直接頂破斷垮落后，形成碎漲的矸石通?？梢詫⒉煽諈^(qū)充滿，基本頂發(fā)生回轉(zhuǎn)的空間較小，因此回轉(zhuǎn)變形也較小，進(jìn)而對(duì)沿空留巷直接頂產(chǎn)生的壓力也較小。

中部未影響區(qū)和未切頂影響區(qū)95#、100#、125#、165#支架周壓步距、荷載見表3。

由表3可知：工作面中部的支架周期來壓最大值60 MPa，平均值44 MPa，周期來壓步距10～20 m；回順側(cè)切頂未影響區(qū)周期來壓最大值55 MPa，平均值37 MPa，周期來壓步距8～12 m。

表3 中部未影響區(qū)和未切頂影響區(qū)支架荷載和周期來壓步距

3.2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

根據(jù)工作面推進(jìn)情況和頂板離層儀布置情況，選擇6#、4#、1#共3個(gè)頂板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其位置分別距12201工作面開切眼260 m、330 m、480 m。3個(gè)頂板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頂板離層值變化曲線如圖5所示。

a-6#離層檢測(cè)儀頂板離層值變化曲線；b-4#離層檢測(cè)儀頂板離層值變化曲線；c-1#離層檢測(cè)儀頂板離層值變化曲線圖5 頂板離層值變化曲線圖

由圖5分析可知：工作面的推進(jìn)對(duì)巷道頂板離層產(chǎn)生影響，一般處于±50 m范圍之內(nèi)。由6#、4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的曲線平穩(wěn)位置可知，工作面回采過后，頂板離層值趨于穩(wěn)定時(shí)滯后工作面的距離分別為81 m和94 m。即當(dāng)滯后工作面距離大于95 m后，巷道頂板離層才趨于穩(wěn)定。

在12202工作面切眼和8#車硐之間布設(shè)10個(gè)十字位移測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)支柱撤出后巷道圍巖位移狀況，測(cè)點(diǎn)間隔10 m。經(jīng)一周監(jiān)測(cè)得到巷道圍巖變形狀況見表4。

表4 巷道十字布點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)

撤柱區(qū)十字測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，兩幫移近量只有J2為2 mm，其余均為0 mm，頂?shù)装逡平恐挥蠮4和J9為1 mm，其余均為0 mm。表明單體撤出約1周后，頂板趨于穩(wěn)定。頂板累計(jì)下沉平均約9 mm。

4 經(jīng)濟(jì)效益

采用切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術(shù)后，其新增支護(hù)成本為356.5萬元；與留煤柱護(hù)巷開采相比，采用切頂卸壓沿空成巷新技術(shù)可以少掘一條巷道，按照原設(shè)計(jì)時(shí)采用的錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，則采區(qū)掘進(jìn)凈斷面平均14 m2，總單價(jià)6 600元/m，按試驗(yàn)及推廣采區(qū)可以少掘進(jìn)580 m，可以節(jié)約的總費(fèi)用為：580 m×6 600元/m=382.8萬元。

與煤柱護(hù)巷相比較，按照10 m寬的護(hù)巷煤柱計(jì)算，按照試驗(yàn)及推廣采區(qū)工程計(jì)算，可以多采出13 041 t煤，按照噸煤市場(chǎng)價(jià)格380元/t，可創(chuàng)收881.6萬元，直接經(jīng)濟(jì)效益約為855.3萬元。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)哈拉溝煤礦淺埋、含煤復(fù)合頂板開采頂板運(yùn)動(dòng)模式和礦壓顯現(xiàn)特征，建立了切頂卸壓頂板運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型，確定了切縫高度為6 m，切縫角度為10°。

(2)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，切頂影響區(qū)較傳統(tǒng)雙巷掘進(jìn)影響區(qū)，周壓步距增加18～22 m，增加約2倍，周期來壓最大值減少10～11 MPa，減少20%；通過巷道離層、頂?shù)装逦灰频鹊挠^測(cè)，得出工作面的推進(jìn)對(duì)巷道頂板離層產(chǎn)生影響，一般處于距工作面煤壁±50 m范圍之內(nèi)；當(dāng)滯后工作面距離大于100 m后，巷道頂板離層與頂板下沉量趨于穩(wěn)定，活柱下縮量最大值為217 mm；支柱撤出一周后，巷道頂板趨于穩(wěn)定，期間累計(jì)下沉量約9 mm。

(3)通過對(duì)哈拉溝煤礦12201工作面運(yùn)順留巷工程地質(zhì)條件的分析，運(yùn)用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理進(jìn)行了沿空留巷設(shè)計(jì)，研究了留巷工藝，將之應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)，取得良好的應(yīng)用效果。研究表明，以理論研究結(jié)果所確定的切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理及各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)綜采面開采高產(chǎn)高效的目標(biāo)，大幅提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。