切頂卸壓自動成巷技術(shù)在黃陵礦的應用

王懷平

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

傳統(tǒng)長壁開采“121”工法通常需要在工作面兩端提前掘進兩條回采巷道，并留設護巷煤柱，造成了巷道掘進工程量大、掘進成本高[1-5]，留設的護巷煤柱也對煤炭資源造成了巨大的損失，同時在煤柱上方往往產(chǎn)生較大應力集中，使巷道變形嚴重，維護成本高。而傳統(tǒng)的澆筑混凝土墻隔絕采空區(qū)、支護頂板的沿空留巷技術(shù)系統(tǒng)復雜、施工繁瑣，影響工作面推進度。切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)(簡稱“110”工法)是在工作面推過前，提前對計劃留巷巷道采用恒阻大變形錨索加固支護[6-9]；在工作面?zhèn)仁┕ゎA裂爆破孔，進行頂板預裂爆破切縫，切斷巷道頂板與工作面采空區(qū)頂板之間的應力傳遞。工作面推過后，由于對頂板實施了切縫，增加了采空區(qū)側(cè)頂板自由面，支架前移時采空區(qū)側(cè)頂板迅速沿切縫面垮落碎脹充填采空區(qū)，從而有效支撐上覆巖層頂板，同時，為避免采空區(qū)矸石竄入巷道，工作面推過時在端頭支架側(cè)面、切縫下方垂直支設一列擋矸支護結(jié)構(gòu)[10-11]。確保留巷的有效利用空間，所成巷道即可作為下一個工作面的巷道使用。切頂卸壓自動成巷技術(shù)，可取消工作面間煤柱，提高煤炭回收率，且降低巷道掘進率50%。

1 工作面概況

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)在瑞能煤礦117工作面實施，117工作面開采煤層為2#煤層，通過地質(zhì)資料分析，煤層賦存穩(wěn)定，煤層埋深120～260 m，煤厚0.8～2.0 m，平均1.49 m，煤層傾角2°～5°，平均3°，煤塵具有爆炸危險性，屬自燃煤層，順槽長度約1 026 m，工作面回采長度為980 m，工作面長151 m。工作面相對瓦斯涌出量為1.86 m3/t，絕對瓦斯涌出量為3.06 m3/min，屬低瓦斯礦井。

工作面基本頂以塊狀灰白色中-細粒巖屑石英砂巖為主，巖性較堅硬，厚層狀，不易垮落。厚度3～12 m。單軸抗壓強度14.2～68.1 MPa，平均37.7 MPa，天然抗拉強度1.47～6.10 MPa，平均2.82 MPa，屬中等穩(wěn)定-穩(wěn)定的不易冒落頂板。

直接頂巖性變化較大，以黑色泥巖為主，局部為粉砂巖或細粒砂巖，呈厚層狀，有時與煤層直接接觸，厚度0.7～20.6 m不等，一般9 m左右，天然容重2.52～2.62 g/cm3，單軸抗壓強度10.5～32.6 MPa，天然抗拉強度1.0～2.76 MPa，為不穩(wěn)定、易冒落頂板。

偽頂主要為薄層狀泥質(zhì)粉砂巖或砂質(zhì)泥巖，個別鉆孔為炭質(zhì)泥巖，厚度均在0.5 m以下，以其薄層狀及隨采隨落為特征。

底板主要為一套灰色團塊狀粉砂質(zhì)泥巖，遇水膨脹，易發(fā)生底臌，厚度1～2 m，天然容重2.38～2.72 g/cm3單軸抗壓強度9.6～62.9 MPa，天然抗拉強度0.98～4.42 MPa，為松軟易變形的不穩(wěn)定底板。

2 主要技術(shù)參數(shù)設計

切頂卸壓自動成巷的主要工藝包括切頂和支護，切頂工藝主要包括打切縫孔和定向爆破，而決定切縫孔的角度和深度主要影響因素為采高、頂板巖性、碎脹系數(shù)等因素；定向爆破主要采用雙向爆破管來控制方向。支護又包括永久支護和臨時支護，永久支護為恒阻錨索支護，而臨時支護為巷旁支護和巷內(nèi)支護。表1為117工作面切頂卸壓自動成巷設計參數(shù)。

表1 117工作面切頂卸壓自動成巷設計參數(shù)

2.1 頂板雙向聚能爆破預裂技術(shù)

切頂卸壓自動成巷無煤柱開采采用雙向聚能爆破預裂技術(shù)將巷道頂板與采空區(qū)頂板預裂切縫，切斷二者之間的應力傳遞。應用時只需要在預裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向?qū)趲r體預裂方向。爆轟產(chǎn)物將在兩個設定方向上形成聚能流，并產(chǎn)生集中張拉應力，使預裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預裂面。

根據(jù)工作面數(shù)值的分析結(jié)果，同時考慮到施工的便捷性，取切頂高度為6.0 m，切縫線與鉛垂線夾角10°，切縫孔距離117工作面煤壁為200 mm，同時，考慮到切縫施工的經(jīng)濟性，切縫孔間距初步設計為500 mm。

根據(jù)切頂卸壓自動成巷工程經(jīng)驗，對于復合頂板，初始裝藥結(jié)構(gòu)以“3+3+3”為宜，即每個爆破孔內(nèi)放置3根1.5 m長聚能管，由孔頂向孔底裝藥量分別為3卷、3卷、3卷，共9卷炸藥，封泥長度1.5 m。雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，管長1 500 mm。聚能爆破采用二級煤礦乳化炸藥，炸藥規(guī)格為直徑φ32 mm×200 mm/卷。

2.2 恒阻大變形錨索支護設計

為保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩(wěn)定性，在對巷道頂板進行預裂切頂前采用恒阻大變形錨索加強支護。根據(jù)工作面原有支護方式、巷道變形情況及礦壓現(xiàn)象，恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，共布設2列，近實體煤側(cè)排距2 400 mm，距巷中線400 mm；沿空側(cè)排距800 mm，沿空側(cè)恒阻錨索距巷幫500 mm。恒阻大變形錨索直徑取為21.8 mm，根據(jù)切縫參數(shù)，鋼絞線長度均取8.3 m，恒阻器長500 mm，外徑79 mm，恒阻值為33±2 t，預緊力不小于25 t。

2.3 架后巷道支護設計

工作面推進過程中，不同位置巷道受采動影響不同。工作面超前段會受到超前壓力的影響，工作面開采后，頂板開始垮落，且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時間，因此距工作面較近的架后區(qū)域不僅需要進行頂板支護，還需進行擋矸支護。隨著工作面繼續(xù)推進，當巷道距工作面較遠時，頂板運動基本會趨于穩(wěn)定，此時可將架后臨時支護的設備撤掉，只進行擋矸支護即可。

根據(jù)以往現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，將工作面附近劃分為3個區(qū)：超前支護區(qū)(工作面前方20 m)，留巷加強支護區(qū)(架后0～200 m)和留巷穩(wěn)定區(qū)(架后200 m之后)。支護方式如圖1所示。

圖1 成巷區(qū)頂板臨時支護及擋矸支護設計圖

3 工程實踐及應用成果分析

3.1 工程實施情況

該項目通過對瑞能煤礦117工作面薄煤層110工法切頂卸壓自動成巷關(guān)鍵參數(shù)進行理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗，確定了適合于瑞能煤礦薄煤層切頂卸壓自動成巷最優(yōu)設計及施工參數(shù)，針對117工作面設計了薄煤層切頂卸壓自動成巷圍巖控制體系。117工作面自2017年6月22日開始回采，通過切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)對117軌道巷進行沿空自動成巷，至2018年1月15日工作面已回采結(jié)束。目前，瑞能煤業(yè)留巷長度已經(jīng)超過2 000 m，且117留巷作為復用巷道，已經(jīng)成功服務于115工作面的回采工作，留巷巷道滿足生產(chǎn)需求。

3.2 留巷段礦壓監(jiān)測

恒組錨索受力分析：恒組錨索為切頂留巷主要的支護手段，因此測定恒組錨索在留巷段受力變化，能夠分析恒組錨索強度及支護參數(shù)是否都滿足需求。圖2為150 m位置恒組錨索受力監(jiān)測結(jié)果，可看出，當工作面推采至距離錨索約25 m時，其受力與變形開始緩慢增大，當工作面推過時，錨索受力與變形迅速增大，當工作面推過錨索斷面所在位置約25 m時其受力達到恒阻值，約340 kN，此時錨索變形量約50 mm，但隨著工作面向前推進，錨索受力一直處于恒阻值狀態(tài)，而其變形量仍在以較高速度繼續(xù)增大，當工作面推過約50 m后其變形速度顯著減小，當工作面推過約150 m后趨于穩(wěn)定。恒阻錨索在變形的過程中，其受力可保持不變，始終維持相對恒定的工作阻力，體現(xiàn)了其吸能讓壓的特性，通過恒阻讓壓變形來吸收頂板巖層釋放的變形能，而不致使錨索發(fā)生斷裂破壞，恒阻錨索支護滿足安全生產(chǎn)需求。

圖2 150 m處型錨索測力儀監(jiān)測曲線

留巷過程頂板下沉規(guī)律：通過對巷道從留巷到穩(wěn)定過程中巷道變形監(jiān)測，分析巷道頂板下沉量圖3所示，得知工作面留巷頂板整體下沉量小，切縫側(cè)巷道頂板最大下沉量約383 mm，平均下沉量約216 mm，實體煤幫側(cè)最大下沉120 mm，平均下沉73 mm，碎石巷幫無明顯側(cè)臌現(xiàn)象，實體煤幫無明顯片幫現(xiàn)象，完全滿足安全和使用要求，滿足設計要求。

圖3 巷道頂板下沉變形曲線

3.3 存在問題及對策

110工法實施過程中存在的主要問題為采空區(qū)漏風問題，實測工作面下隅角至12#支架之前漏風十分嚴重，漏風率最高達42%，而工作面中部支架漏風明顯較小，說明在工作面下部端頭支架與煤壁之間存在較大空隙，即下隅角處密閉性較差，而工作面支架間密閉性較好。同時，說明成巷區(qū)碎石幫的空隙為工作面漏風提供了大量漏風通道，致使工作面大量風流經(jīng)由工作面支架后方流向采空區(qū)，并最終由工作面后方成巷區(qū)流出。為了確保安全生產(chǎn)，必須采取以下措施降低留巷漏風。

降低漏風通道兩端風壓：降低留巷內(nèi)和工作面回風口處的風流壓差，通過在工作面回風巷中設置調(diào)節(jié)風窗，增高回風巷和工作面回風口處氣體壓力，達到降低留巷內(nèi)和工作面之間的風流壓差，減少采空區(qū)漏風量。

隔漏風墻技術(shù)措施：在留巷內(nèi)碎石幫側(cè)進行噴漿、注漿或砌防漏風墻。切頂后形成的巷幫由碎石組成，及時對留巷內(nèi)碎石幫噴漿處理，噴漿厚度一般不小于100 mm。對于上部切縫處和未完全充實區(qū)域?qū)嵤┳{封堵，對于工作面后方漏風較為嚴重的區(qū)域，因巷幫未完全充填，不能及時噴漿，可通過臨時懸掛風障方式封堵通道，待充實后及時噴漿。

3.4 應用成果分析

117工作面留巷頂板整體變形較小，切縫側(cè)巷道頂板最大下沉量約383 mm，平均下沉量約216 mm，實體煤幫側(cè)最大下沉120 mm，平均下沉量約73 mm，碎石巷幫無明顯側(cè)臌現(xiàn)象，實體煤幫無明顯片幫現(xiàn)象，完全滿足安全和使用要求，工作面及成巷區(qū)內(nèi)CH4濃度均為零，CO濃度處于3～7 ppm之間，低于《煤礦安全規(guī)程》限定的24 ppm，采空區(qū)無自然發(fā)火危險。切縫后，采空區(qū)頂板沿切縫垮落順利，采空區(qū)垮落矸石充填密實，空區(qū)老頂觸矸點距離支架后方距離一般為2～3 m。

117工作面實施“110”工法后，留巷人工、材料費用約為2 200元/m，設備及科研投入281萬元。可節(jié)約巷道掘進費用6 200元/m，多回收煤業(yè)4.2萬t，取得綜合經(jīng)濟效益1 000多萬元。

4 結(jié)語

切頂卸壓沿空自動成巷技術(shù)，解放了工作面間的護巷煤柱，提高了采煤工作面資源回收率，減輕了地表不均勻沉陷引起的地表環(huán)境損害等災害問題。變傳統(tǒng)“一面兩巷”采掘方式為“一面一巷”，利用切落巖體作為巷道一幫，降低了工作面回采巷道的掘進率，無需留設護巷煤柱或充填高強材料支護巷道，造價低廉，操作簡單，提高生產(chǎn)效率。因此，全面推廣實行切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)，對我國煤礦安全高效生產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。