切頂卸壓沿空留巷技術(shù)在鹿臺(tái)山煤業(yè)的應(yīng)用

王文杰

(山西陽(yáng)煤集團(tuán)運(yùn)裕公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引言

目前鹿臺(tái)山煤礦2#煤層工作面均采用雙巷布置，U型通風(fēng)，工作面間留設(shè)15 m保護(hù)煤柱。這種布置方式主要存在著巷道掘進(jìn)成本高、支護(hù)難度大，采掘接續(xù)銜接緊張，煤柱資源浪費(fèi)嚴(yán)重，煤柱自然發(fā)火威脅礦井安全生產(chǎn)等問(wèn)題。為解決這一難題，礦井從2203工作面開(kāi)始采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，成功地解決了以上問(wèn)題。

1 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的原理

切頂卸壓沿空留巷即沿工作面前方預(yù)留巷道采空區(qū)側(cè)布置爆破切頂鉆孔，對(duì)工作面頂板進(jìn)行超前預(yù)裂爆破，使頂板沿預(yù)定方向產(chǎn)生切縫，即為切頂線；隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)頂板周期性來(lái)壓，巷道采空區(qū)側(cè)頂板沿切縫垮落形成留巷巷幫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)切頂卸壓沿空留巷，大大減輕采空區(qū)頂板來(lái)壓時(shí)對(duì)留巷的影響，留巷效果如圖1所示。

圖1 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理示意圖

切頂卸壓的技術(shù)原理主要是爆破預(yù)裂頂板切斷了直接頂及基本頂?shù)膽冶郏瑪嚅_(kāi)了巷道頂板與采空區(qū)側(cè)頂板的聯(lián)系，減少了支護(hù)體承擔(dān)巖石重力，減少了頂板巖層的回轉(zhuǎn)角及下沉量，保證了巷道頂板巖層的完整性，避免直接頂巖層與基本頂巖層間的離層，將巷道周邊的應(yīng)力集中向圍巖深部轉(zhuǎn)移，改善巷道所處位置圍巖應(yīng)力環(huán)境。

成巷的技術(shù)原理主要是定向斷裂的巖體在采動(dòng)壓力作用下，頂板沿切縫自行垮落，切頂卸壓一次成巷。減輕了采空區(qū)頂板垮落時(shí)對(duì)留巷支護(hù)的破壞作用，減少了巷道維護(hù)量，節(jié)約了大量的人力、物力和財(cái)力。

2 切頂卸壓沿空留巷支護(hù)分區(qū)

工作面推進(jìn)過(guò)程中，不同位置巷道受采動(dòng)影響不同。工作面超前段會(huì)受到超前壓力的影響，工作面開(kāi)采后，頂板開(kāi)采垮落，且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，因此距工作面較近的架后區(qū)域不僅需要進(jìn)行頂板支護(hù)，還需進(jìn)行擋矸支護(hù)。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)巷道距工作面較遠(yuǎn)時(shí)，頂板運(yùn)動(dòng)基本會(huì)趨于穩(wěn)定，此時(shí)可將架后臨時(shí)支護(hù)的設(shè)備撤掉，只進(jìn)行擋矸支護(hù)即可。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，將工作面前后劃分為3個(gè)區(qū)：超前支護(hù)區(qū)，滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)和成巷穩(wěn)定區(qū)，不同分區(qū)根據(jù)需要采取不同的支護(hù)措施，如圖2所示。

圖2 切頂卸壓沿空留巷支護(hù)分區(qū)

2.1 超前支護(hù)區(qū)

此段巷道位于工作面超前采動(dòng)影響區(qū)，巷道頂板壓力較大，因此需要超前支護(hù)。超前支護(hù)通常采用“單體液壓支柱+π型鋼梁”進(jìn)行支護(hù)，“一梁三柱”布置，若超前支撐壓力影響范圍很大，相應(yīng)增加超前支護(hù)范圍；若超前支撐壓力很大，則減小“單體液壓支柱+π型鋼梁”排距或改“一梁三柱”為“一梁四柱”布置增加支護(hù)強(qiáng)度。在不影響工作面生產(chǎn)的情況下，也可采用單體液壓支柱抬棚進(jìn)行超前支護(hù)。

2.2 滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)

此段巷道位于工作面后方周期壓力影響區(qū)，受動(dòng)壓影響明顯，巷道頂板壓力較大。為了防止周期來(lái)壓時(shí)頂板垮落巖石沖入巷道和留巷初期頂板的下沉，常采用聯(lián)合支護(hù)形式。

單體液壓支柱+工字鋼：滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)范圍內(nèi)在靠近采空區(qū)側(cè)采用一排“密集單體支柱+工字鋼”進(jìn)行擋矸支護(hù)，在巷道內(nèi)部布置“一梁三柱”的“單體液壓支柱+π型鋼梁”進(jìn)行頂板支護(hù)。

工字鋼+單體液壓支柱液壓抬棚：采空區(qū)側(cè)采用密集單體柱進(jìn)行擋矸支護(hù)，巷道內(nèi)部采用單體液壓支柱抬棚進(jìn)行頂板支護(hù)，單體液壓支柱抬棚可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整抬棚之間的距離。具體支護(hù)方式應(yīng)根據(jù)工作面圍巖性質(zhì)并結(jié)合滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)頂板壓力調(diào)整。

2.3 成巷穩(wěn)定區(qū)

此段巷道位于開(kāi)始留巷位置與超后臨時(shí)支護(hù)區(qū)之間，此區(qū)域內(nèi)巷道受采動(dòng)影響很小，頂板下沉量及單體支柱的壓力變化很小，可認(rèn)為該區(qū)域已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，可將臨時(shí)支護(hù)的頂板支護(hù)撤掉，只保留密集單體柱進(jìn)行擋矸。

3 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3.1 緩解采掘接替緊張，節(jié)約了巷道掘進(jìn)費(fèi)

如圖3所示，如果2203工作面采用雙巷布置，即該回采工作面需要掘進(jìn)2條巷道，運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷。這2條巷道在2202工作面回采期間及2202工作面回采結(jié)束后的1年內(nèi)，2203回風(fēng)巷受采動(dòng)壓力的影響暫時(shí)不能掘進(jìn)，否則會(huì)造成掘進(jìn)速度慢、掘進(jìn)困難，采掘關(guān)系緊張。同時(shí)巷道變形大，巷道支護(hù)、維護(hù)成本高。

圖3 2203工作面雙巷布置平面圖

圖4 沿空留巷模式下2203工作面布置平面圖

如圖4所示，如果2203工作面采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，在2202工作面回采前，采用切頂卸壓技術(shù)將2202運(yùn)輸巷與工作面(回采后形成采空區(qū))頂板切斷，待2202工作面回采后，采空區(qū)上方頂板沿切縫垮落形成巷幫，實(shí)現(xiàn)2202運(yùn)輸巷沿空留巷作為2203回風(fēng)巷。采用這種技術(shù)后，只需掘進(jìn)2203運(yùn)輸巷和切眼，就能形成2203工作面的巷道系統(tǒng)，少掘一條回風(fēng)巷，有利于緩解礦井采掘接替緊張，改善礦井采掘接替關(guān)系。根據(jù)礦井采掘工程平面圖，2203回風(fēng)巷長(zhǎng)1 328 m，按照煤巷4 100元/m的掘進(jìn)成本來(lái)算，少掘一條回風(fēng)巷能夠節(jié)省掘進(jìn)費(fèi)用544.8萬(wàn)元。

3.2 增加煤炭產(chǎn)量，提升礦井經(jīng)濟(jì)效益

采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)后，工作面之間沒(méi)有保護(hù)煤柱，2203工作面長(zhǎng)度增加15 m，能夠提高采區(qū)回采率9%。2203工作面回采長(zhǎng)度1 250 m，平均煤厚2.2 m，2#煤視密度1.53 t/m3，若采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)將原計(jì)劃留設(shè)15 m的保護(hù)煤柱全部開(kāi)采出來(lái)，能夠增加工作面產(chǎn)量6.3萬(wàn)t。按照噸煤價(jià)格800元計(jì)算，2203工作面能夠增加銷售額5 040萬(wàn)元。鹿臺(tái)山煤礦目前保護(hù)煤柱留設(shè)寬度15 m，其中2#煤層還有7個(gè)工作面尚未開(kāi)采，若全部采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，將節(jié)省6個(gè)區(qū)段保護(hù)煤柱，保守估計(jì)煤柱儲(chǔ)量達(dá)45萬(wàn)t，按照噸煤售價(jià)800元計(jì)算，價(jià)值3.6億元。

3.3 實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采，消除“孤島工作面”

“孤島工作面”是指準(zhǔn)備回采的工作面周圍均為采空區(qū)或者工作面區(qū)段巷兩側(cè)均為采空區(qū)的工作面，在這種工作面內(nèi)進(jìn)行的采煤工作稱為“孤島”工作面采煤。這種工作面采場(chǎng)頂板覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)會(huì)對(duì)工作面支架造成沖擊載荷，形成大面積片幫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成支架壓死、設(shè)備損壞，擠出的煤體會(huì)封堵工作面出口，同時(shí)導(dǎo)致瓦斯涌出量增加等工程災(zāi)害。采用切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)后，工作面之間不再留設(shè)區(qū)段保護(hù)煤柱，并且不需要工作面跳采，從根本上避免了出現(xiàn)孤島工作面的情況。

3.4 改善巷道圍巖結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布，降低支護(hù)難度

工作面自開(kāi)切眼推進(jìn)一定距離后，首先在懸露老頂?shù)闹醒爰跋锏肋吘壭纬伞癘”型破斷，之后沿?cái)嗔丫€回轉(zhuǎn)下沉，形成X型破斷，這個(gè)過(guò)程就是頂板的“O-X”破斷，同時(shí)也是工作面初次來(lái)壓的過(guò)程。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板的“O-X”破斷也向前移動(dòng)，造成工作面周期來(lái)壓，在頂板的“O-X”破斷過(guò)程中，工作面端頭后方會(huì)形成弧形三角板，在采空區(qū)固定邊界的上方也就是煤柱或煤體上方經(jīng)常形成不整齊的頂板殘留邊界?；⌒稳前搴蜌埩暨吔绲男纬蛇^(guò)程對(duì)巷道產(chǎn)生動(dòng)壓影響，形成后的頂板結(jié)構(gòu)對(duì)巷道產(chǎn)生靜壓影響。若工作面不采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，回采過(guò)程中在工作面上下端頭上方主關(guān)鍵層形成“弧形三角板”，對(duì)巷道造成動(dòng)壓影響，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，“弧形三角板”穩(wěn)定后對(duì)巷道造成靜壓影響。

在“弧形三角板”動(dòng)壓和靜壓的影響下，巷道圍巖結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成巷道所受應(yīng)力大、巷道變形大，支護(hù)困難，返修率高，維護(hù)成本高。采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)后，切斷留巷巷道頂板與采空區(qū)頂板巖層之間的聯(lián)系，應(yīng)力無(wú)法傳遞，避免留巷巷道受到“弧形三角板”動(dòng)壓和靜壓的影響，改善巷道圍巖結(jié)構(gòu)及應(yīng)力場(chǎng)分布情況，降低巷道支護(hù)難度，減少巷道維護(hù)費(fèi)用，減少巷道掘進(jìn)事故。

4 結(jié)語(yǔ)

鹿臺(tái)山煤礦在采煤工作面應(yīng)用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了采煤工作面的無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采，減少了巷道掘進(jìn)費(fèi)，節(jié)約了巷道維護(hù)成本，緩解了采掘接續(xù)緊張局面，提高了礦井資源回收率，增加了礦井效益，符合綠色礦山建設(shè)要求，對(duì)促進(jìn)無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。