金谷煤礦沿空留巷技術(shù)研究

趙志超

(冀中能源邢臺(tái)礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)部，河北省邢臺(tái)市，054000)

沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用可以大大減少煤礦巷道掘進(jìn)量，有效提高煤炭開(kāi)采率，因此在我國(guó)的煤炭生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。切頂成巷，作為目前沿空留巷的主要方式，具有施工安全、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，近幾年推廣使用的超前預(yù)裂爆破切頂成巷法操作簡(jiǎn)單、工作效率高，但這種成巷方式對(duì)煤礦地質(zhì)條件要求高，有較大的局限性。而切頂成巷中的密集支護(hù)成巷技術(shù)可適用于多種頂板類型的巷道，但工人勞動(dòng)量大，作業(yè)環(huán)境小，施工效率低。因此如何在保證安全生產(chǎn)的前提下，提高切頂沿空留巷作業(yè)效率一直是業(yè)內(nèi)比較關(guān)注的問(wèn)題。筆者以山西古縣金谷煤礦9#煤層和10#煤層為工程背景，將超前預(yù)裂爆破與密集支護(hù)技術(shù)相結(jié)合，研究在埋藏較淺、礦壓顯現(xiàn)較明顯的復(fù)合頂板煤層巷道中進(jìn)行切頂沿空留巷，以達(dá)到安全、高效生產(chǎn)，并給出合理的支護(hù)方案和參數(shù)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

金谷井田位于沁水煤田西部邊緣一帶，發(fā)育地層有奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組，第四系。其中9#煤層位于太原組下段頂部，平均煤厚0.9 m，頂板為K2中厚層狀石灰?guī)r，偽頂為炭質(zhì)泥巖；10#煤層位于太原組下段上部，平均煤厚1.4 m，頂板為泥巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。

由于9#煤層與10#煤層之間存在厚度0.7～1.0 m的泥巖，即10#煤層的頂板，因此回采方案設(shè)計(jì)為9#、10#煤層聯(lián)合開(kāi)采，一次采全高，全部垮落法管理頂板。煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 留巷方式概況

金谷煤礦10901工作面為正在回采工作面，埋藏深度為50～80 m，采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤工藝。從10901運(yùn)輸巷取300 m作為試驗(yàn)留巷，為之后全礦井設(shè)計(jì)沿空留巷參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，凈寬4.5 m，凈高3.0 m，矩形斷面采用高強(qiáng)度HRB400錨桿進(jìn)行全斷面錨網(wǎng)支護(hù)，遇到斷層、陷落柱等頂板破碎、裂隙發(fā)育地段進(jìn)行錨網(wǎng)索或其他形式補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

爆破鉆孔間距對(duì)預(yù)裂效果有重要影響，間距過(guò)大，相鄰鉆孔之間的爆破裂縫不能很好貫通連接，間距過(guò)小，會(huì)增大工程量，增加施工成本，同時(shí)也會(huì)對(duì)頂板造成一定程度的破壞。因此，為掌握爆破鉆孔間距的合理參數(shù)，達(dá)到良好的切縫效果，在10901工作面運(yùn)輸巷中，試驗(yàn)不同形式的鉆孔間距。

在采煤工作面推進(jìn)距停采線約300 m處時(shí)開(kāi)始施工爆破鉆孔，鉆孔間距有兩種：在距停采線150～300 m區(qū)段爆破鉆孔間距0.3 m，在距停采線0～150 m區(qū)段爆破鉆孔間距0.6 m。預(yù)裂爆破沿采煤工作面推進(jìn)方向依次進(jìn)行，形成預(yù)裂切縫線，切頂卸壓可降低煤層頂板在預(yù)留巷道頂板產(chǎn)生的扭矩，減少來(lái)壓造成的不利影響。礦井現(xiàn)有鉆具孔徑42 mm，因此設(shè)計(jì)爆破鉆孔深度8000 mm，直徑42 mm，角度與水平方向成75°布置(鉆孔偏向與采空區(qū))。鉆孔具體參數(shù)設(shè)計(jì)如圖1所示。

爆破采用煤礦許可的三級(jí)乳化炸藥，卷長(zhǎng)200 mm，直徑42 mm，與鉆孔直徑相同。炮孔裝藥方式如圖2所示。裝藥結(jié)構(gòu)為正向不耦合裝藥方式，分兩段裝藥，每段5卷，長(zhǎng)1 m，藥卷間隔一段炮泥，封孔長(zhǎng)度不小于2.5 m，采用黃泥封實(shí)。切頂爆破采用電雷管多炮孔無(wú)間隔起爆，起爆多組炮孔，長(zhǎng)度約為5 m。

預(yù)裂爆破切頂是沿空留巷成功的關(guān)鍵一步，因此，組織專門(mén)人員負(fù)責(zé)該項(xiàng)工作，并成立爆破切頂小組。在爆破切頂前，采用紅色噴漆指定爆破鉆孔位置，盡量使鉆孔在同一直線上，對(duì)爆破鉆孔的深度、角度、間距、裝藥量等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督管理，保證按照設(shè)計(jì)施工。頂板預(yù)裂爆破孔窺視圖見(jiàn)圖3。

圖1 爆破鉆孔布置圖

圖2 炮孔裝藥方式示意圖

圖3 頂板預(yù)裂爆破孔窺視圖

2.2 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

10901運(yùn)輸巷原支護(hù)為全斷面錨網(wǎng)支護(hù)，采用?18 mm×2200 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，頂板間排距為1200 mm×1200 mm，兩幫間排距為1000 mm×1200 mm，靠近巷幫的頂板錨桿安設(shè)角度與鉛垂線呈15°～20°，巷道兩幫的頂?shù)族^桿安設(shè)角度與水平線呈15°～20°，錨桿預(yù)緊力為50 kN，巷道頂板和兩幫錨桿通過(guò)梯子梁連接，與金屬網(wǎng)共同形成頂幫的整體支護(hù)效應(yīng)。

采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，在爆破切頂前，對(duì)巷道頂板和實(shí)體煤側(cè)巷幫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。頂板一排補(bǔ)打3根錨索，每?jī)膳佩^桿在巷道頂板中部位置布置一根錨索，在頂板靠近采空區(qū)側(cè)500 mm和靠近實(shí)體煤側(cè)200 mm位置各布置一根錨索。實(shí)體煤側(cè)幫在距頂板700 mm和距底板800 mm各補(bǔ)打一根錨索。頂板錨索規(guī)格? 17.8 mm×6200 mm，排距4200 mm，初始張拉力不低于80 kN。實(shí)體煤側(cè)幫錨索長(zhǎng)度4200 mm，其他設(shè)計(jì)參數(shù)與頂板錨索一致，具體參數(shù)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 10901運(yùn)輸巷頂板支護(hù)設(shè)計(jì)圖

2.3 巷內(nèi)輔助支護(hù)方式

隨著回采工作面的推進(jìn)，頂板上覆巖層經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)、斷裂、下沉和穩(wěn)定的過(guò)程，工作面前后均存在應(yīng)力集中區(qū)，需要在巷道內(nèi)進(jìn)行輔助支護(hù)。

在10901回采工作面前方運(yùn)輸巷內(nèi)采用單體支柱+Π型鉸接頂梁加強(qiáng)頂板支護(hù)。單體支柱高度與巷道高度相適應(yīng)，規(guī)格DW35-300/110，額定工作阻力300 kN，柱徑110 mm，伸縮量不低于1500 mm，初始支撐阻力不小于150 kN。π型鋼梁長(zhǎng)600 mm，寬100 mm，一梁一柱，沿巷道走向布置4排單體支柱，靠近實(shí)體煤側(cè)的第一排單體距巷幫600 mm，靠近采空區(qū)側(cè)的第一排單體距巷幫300 mm。除靠近采空區(qū)側(cè)，其他三排單體支柱穿普通鐵鞋，具體布置如圖5所示。

圖5 10901運(yùn)輸巷單體支護(hù)示意圖

巷內(nèi)采空區(qū)側(cè)邊緣、沿巷道走向設(shè)置一排護(hù)幫腿(11#礦用工字鋼)，作為巷旁密集支柱，主要用于支護(hù)、切頂和擋矸，在加強(qiáng)巷旁支護(hù)的同時(shí)，可以防止采空區(qū)頂板矸石冒落沖擊巷內(nèi)單體支柱。

基于組合支護(hù)理念，將采空區(qū)側(cè)邊緣的護(hù)幫腿與相鄰的單體支柱組合使用，形成具有強(qiáng)力切頂、高阻讓壓、主動(dòng)支撐特點(diǎn)的組合支架體系，及時(shí)使側(cè)向頂板沿巷旁支護(hù)體外側(cè)斷裂。工字鋼頂端通過(guò)十字鉸接頂梁連接，底端通過(guò)特制復(fù)合鐵鞋連接，以增加底板受力面積，防止支架鉆底，并由此增加摩擦阻力。護(hù)幫腿設(shè)計(jì)傾角為10°，護(hù)幫腿間用長(zhǎng)800 mm的連桿進(jìn)行連接。組合支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6所示。

圖6 組合支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)照片

2.4 采空區(qū)隔離措施

金谷煤礦9#、10#煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬自燃煤層，因此需要及時(shí)對(duì)10901采空區(qū)進(jìn)行隔離，防止漏風(fēng)。為施工方便，采空區(qū)和護(hù)幫腿間用金屬網(wǎng)+風(fēng)筒布進(jìn)行隔離，風(fēng)筒布施工在采空區(qū)里側(cè)，用細(xì)鐵絲將網(wǎng)和風(fēng)筒布扎結(jié)。網(wǎng)和風(fēng)筒布的規(guī)格根據(jù)巷道高度和便于施工的角度及時(shí)調(diào)整。

3 留巷效果分析

在10901工作面運(yùn)輸巷設(shè)置表面位移觀測(cè)站，觀測(cè)沿空留巷在實(shí)際回采過(guò)程中的變形情況，分析一次采動(dòng)作用下的沿空留巷效果。其中工作面前方20 m到后方40 m范圍的觀測(cè)站每天記錄1次；其他觀測(cè)站每3天記錄一次。10901工作面前方、后方運(yùn)輸巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷囊平咳鐖D7所示。

圖7 距停采線不同位置巷道圍巖變形曲線

(1)隨著10901工作面的推進(jìn)，運(yùn)輸巷受到工作面采動(dòng)影響，圍巖應(yīng)力重新分布。在沿空留巷試驗(yàn)區(qū)段中，爆破鉆孔間距不同，巷道圍巖變形情況不同。其中距停采線150～300 m的范圍內(nèi)，爆破鉆孔間距為0.3 m，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖畲笠平糠謩e為251 mm和198 mm；距停采線0～150 m范圍內(nèi)，爆破鉆孔間距為0.6 m，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖畲笠平糠謩e為375 mm和302 mm，該段巷道圍巖變形量較前者明顯變大。

(2)距停采線150～300 m的運(yùn)輸巷中，巷道圍巖在工作面前方約15 m處變形開(kāi)始急劇增大，在工作面后方約60 m處達(dá)到最大，之后變形趨向穩(wěn)定。在圍巖觀測(cè)的整個(gè)期間，頂?shù)装遄畲笠平窟_(dá)到251 mm，在頂?shù)装蹇傄平恐?，工作面前方移近量?8 mm，工作面后方移近量為173 mm，分別占其總移近量的31.1%和68.9%。兩幫最大移近量達(dá)到198 mm，在兩幫總移近量中，工作面前方移近量為43 mm，工作面后方移近量為155 mm，分別占其總移近量的21.7%和78.3%。

4 結(jié)論

(1)金谷煤礦9#、10#煤層為典型的淺埋中厚煤層，針對(duì)該礦地質(zhì)條件，提出了將超前預(yù)裂爆破切頂與巷內(nèi)密集支護(hù)相結(jié)合的沿空留巷圍巖控制技術(shù)，從加強(qiáng)巷旁支護(hù)外側(cè)的承載力和考慮封閉采空區(qū)的條件來(lái)講，沿空留巷中護(hù)幫腿與單體支柱的組合支架體系使用效果顯著，對(duì)提高該礦井煤炭資源回收率、實(shí)現(xiàn)礦井節(jié)約化安全生產(chǎn)有重大意義。

(2)在10901運(yùn)輸巷的沿空留巷支護(hù)中，采用錨網(wǎng)索+單體支柱+Π型鉸接頂梁的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，能夠有效控制巷道圍巖變形。根據(jù)礦壓觀測(cè)顯示，爆破鉆孔間距為300 mm時(shí)，沿空留巷受一次采動(dòng)影響的圍巖變形較小，主要發(fā)生在工作面前方15 m至工作面后方60 m的范圍內(nèi)，圍巖變形量保持可控，能夠達(dá)到二次復(fù)用的要求。