預(yù)掘通道切頂卸壓安全快速回撤技術(shù)及應(yīng)用

王新民

(內(nèi)蒙古蒙泰集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，2019年，鄂爾多斯市原煤累計產(chǎn)量6.8億t，約占全國原煤產(chǎn)量的18%，是我國最重要的煤炭生產(chǎn)基地。鄂爾多斯礦區(qū)屬于東勝煤田，東勝煤田煤層頂板多為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖互層。由于頂板巖性較差，鄂爾多斯礦區(qū)綜采工作面主要采用工作面推至終采線位置后現(xiàn)掘回撤通道的回撤方式[1]?，F(xiàn)掘回撤通道施工過程中由于工作面超前壓力傳遞至頂、幫造成回撤通道施工時頂板下沉、幫部片幫，容易造成壓架事故，回撤周期長，安全風(fēng)險及成本較高[2，3]。因此提前開挖回撤通道，傳統(tǒng)的預(yù)掘回撤通道即在工作面回采結(jié)束前，開挖一條平行于工作面的輔回撤通道，用于工作面回撤[4，5]。預(yù)掘回撤通道雖然可以大幅度減少工作面搬家作業(yè)時間但傳統(tǒng)雙回撤通道由于末采礦壓顯現(xiàn)劇烈[6]，主回撤通道會出現(xiàn)頂板冒落，甚至大面積垮塌，進(jìn)而壓死支架，壓斷支柱[7]，輔回撤通道圍巖變形較大[8]，無法滿足回撤需求且主副回撤通道之間煤柱易被壓垮且無法回收，在存在安全隱患的同時造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失[9-11]。

針對上述難題，王躍權(quán)等通過水力壓裂對末采面頂板實施水力預(yù)裂提前分區(qū)域弱化工作面頂板巖層，減小工作面末采期間采空區(qū)的懸頂面積，緩解工作面及回撤通道圍巖變形[12]。舒湊先等提出在工作面未接近停采線一定距離前，提前施工大直徑卸壓鉆孔，進(jìn)行回撤通道的預(yù)卸壓[13]。張睿等提出了工作面巖石段爆破松動技術(shù)，減少采動壓力傳遞，保證回撤通道穩(wěn)定性[14]。上述研究雖然取得了一定成效，未改變煤層上覆巖層的傳力結(jié)構(gòu)，沒有從根本解決回撤通道受動壓影響大的問題。因此，本文提出了預(yù)掘回撤通道頂板切縫配合高強(qiáng)度恒阻讓壓錨索支護(hù)，實現(xiàn)了只布設(shè)一條回撤通道，不留設(shè)煤柱的安全快速回撤技術(shù)，為破碎頂板礦區(qū)實現(xiàn)工作面安全快速回撤提供參考。

1 工程概況

范家村煤礦位于鄂爾多斯市東勝區(qū)東北部，行政區(qū)域隸屬于東勝區(qū)羊場壕鄉(xiāng)。2219工作面位于礦井二水平采區(qū)，主采4#煤層，4#煤層上覆巖層厚度150～170m，煤層傾角為 1.5°～3°，煤層總厚 4.8～5.7m，平均厚度 5.5m，容重 1.3×103kg/m3。

2219工作面煤層頂板較完整，局部凹凸不平，直接頂為細(xì)砂巖，厚3.63m，成分以石英、長石為主；老頂為細(xì)砂巖，厚8.6m，波狀層理含黃鐵礦結(jié)核。直接頂與老頂之間夾一層厚度為1.4m的灰色砂質(zhì)泥巖。由于2219工作面頂板為巖石強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差、見風(fēng)遇水易泥化的軟弱巖層，因此極易產(chǎn)生工程地質(zhì)危害，甚至造成安全生產(chǎn)事故。

2219工作面設(shè)計采高5.5m，傾向長度216.8m，走向長度1945m。該工作面采用單一走向長壁綜合機(jī)械化后退式一次采全高采煤法，全部垮落法處理頂板。

圖1 2219工作面平面布置

2 原預(yù)掘回撤通道技術(shù)

2.1 原預(yù)掘回撤通道技術(shù)工藝流程

原有工作面回撤通道采用人工自掘的方式開設(shè)，在綜采工作面停采線前預(yù)先掘出一條平行于回采工作面的輔回撤通道，在工作面停采線處回撤通道和輔回撤通道之間，掘出若干條聯(lián)絡(luò)巷道，即構(gòu)成了“輔巷多通道”系統(tǒng)[15]?？拷C采工作面停采線一側(cè)的巷道作為回采工作面液壓支架和其它設(shè)備回撤時的調(diào)向通道，稱之為主回撤通道或回撤通道。主回撤通道作為回撤工作面設(shè)備使用的主要通道，除采取錨索、菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)外，還配以單體液壓支柱、礦用工字鋼梁、垛式液壓支架等進(jìn)行補強(qiáng)支護(hù)[16]。原預(yù)掘回撤通道技術(shù)工藝流程如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)預(yù)掘回撤通道技術(shù)工藝流程圖

2.2 傳統(tǒng)預(yù)掘回撤通道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

原預(yù)掘通道綜采工作面在距主回撤通道20～100m處停采等壓，聯(lián)絡(luò)巷和輔回撤通道煤壁處出現(xiàn)大范圍片幫，主回撤通道出現(xiàn)大范圍冒頂，且整體下沉，用于支護(hù)的數(shù)百根單體、20多個木垛多數(shù)損壞，30多臺支架被壓死。片幫冒頂區(qū)域如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場片幫冒頂情況

3 預(yù)掘通道斷頂卸壓安全快速回撤技術(shù)

針對上述自掘回撤通道存在的問題及傳統(tǒng)預(yù)掘回撤通道的弊端，提出預(yù)掘通道斷頂卸壓安全快速回撤技術(shù)，即在工作面末采工作開始之前預(yù)掘一條回撤通道，在回撤通道完成后，利用雙向張拉聚能爆破技術(shù)[17，18]實現(xiàn)在回撤通道頂板沿工作面傾向方向的定向預(yù)裂切割，改變回撤通道覆巖結(jié)構(gòu)，切斷頂板應(yīng)力傳遞，并為了進(jìn)一步減小采動壓力對回撤通道頂板的影響，選用恒阻讓壓錨索補強(qiáng)加固巷道頂板，確保其在工作面末采階段處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1 工藝流程

根據(jù)預(yù)留回撤通道安全快速回撤技術(shù)原理，總結(jié)其施工工藝流程如圖4所示，具體步驟如下：①超前工作面一定距離預(yù)掘回撤通道如圖4(a)所示；②按設(shè)計支護(hù)參數(shù)施工恒阻大變形錨索對頂板補強(qiáng)支護(hù)如圖4(b)所示；③恒阻錨索支護(hù)完成后，超前工作面一定距離施工切縫孔，并進(jìn)行雙向聚能爆破，形成預(yù)裂切縫面如圖4(c)所示；④待工作面回采后，及時布置垛架支護(hù)如圖4(d)所示；⑤隨工作面推進(jìn)，工作面與回撤通道貫通，待巷道穩(wěn)定后逐步回撤支架如圖4(e)所示。

圖4 預(yù)掘通道斷頂卸壓安全 快速回撤技術(shù)工藝流程圖

撤架時，先將回撤通道內(nèi)靠工作面?zhèn)榷饧芟瘸烦?，然后?號垛架作為1、2、3工作面支架的掩護(hù)支架從中間向兩巷回撤，依次循環(huán)，直至工作面支架完全撤除，預(yù)掘通道斷頂卸壓安全快速回撤技術(shù)支架回撤方案如圖5所示。

圖5 預(yù)掘通道斷頂卸壓安全快速 回撤技術(shù)支架回撤平面圖

3.2 回撤通道爆破預(yù)裂切頂卸壓設(shè)計

預(yù)裂切縫深度(H縫)臨界設(shè)計公式[19，20]：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(1)

式中，ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)，1.3～1.5。

考慮本區(qū)域工作面頂板巖性，設(shè)計中K取二者平均值為1.4。根據(jù)礦井資料顯示，在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，取停采線采高為4.2m，計算得切縫深度為10.5m。綜合考慮回撤通道頂板巖性后，設(shè)計切頂深度為11m。此外，為減小切落頂板垮落時對通道頂板的摩擦力作用，且使得切縫頂板更容易垮落，設(shè)計切縫孔應(yīng)與鉛垂線成20°夾角，即與水平方向成70°夾角。

根據(jù)切縫位置支護(hù)情況，切縫線布置于靠近工作面煤幫側(cè)，與鉛垂線夾角為20°傾向工作面?zhèn)?，切縫孔間距為500mm。切縫鉆孔斷面如圖6所示，切縫鉆孔平面布置如圖7所示。

圖6 切縫鉆孔斷面圖(mm)

圖7 切縫鉆孔平面圖(mm)

3.3 回撤通道恒阻讓壓錨索補強(qiáng)設(shè)計

圖8 恒阻讓壓錨索支護(hù)圖(mm)

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在工作面末采及回撤過程中，觀察并記錄了回撤通道中間變形最嚴(yán)重的液壓支架工作阻力和頂?shù)装宓氖諗壳闆r，如圖9—圖11所示。從圖中可以看出，當(dāng)工作面與回撤通道距離為43m時，液壓支架的工作阻力峰值為41MPa。在43～13m的距離范圍內(nèi)，工作阻力下降，最小值為33MPa。隨后在12～6m的距離范圍內(nèi)，工作阻力略有上升，最大值達(dá)到44MPa。最后，在液壓支架回撤完成前，工作阻力保持在32MPa。在工作面與回撤通道距離44m處，頂板與底板的移近量開始明顯增大，在12～0m處急劇增大，然后趨于穩(wěn)定。在最后回撤支架階段，存在輕微的變形量上升，最終頂?shù)装逡平繛?45mm。隨工作面推進(jìn)，恒阻讓壓錨索應(yīng)力值緩慢增加，在超前工作面34m時開始迅速增長，在工作面與回撤通道貫通時達(dá)到最大值309kN并產(chǎn)生波動，恒阻讓壓效果明顯，并最終趨于穩(wěn)定。說明此時采空區(qū)頂板沿切縫面充分垮落，回撤通道頂板在恒阻讓壓錨索支護(hù)下重新處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 液壓支架工作阻力

圖10 頂?shù)装遄冃吻€

圖11 恒阻讓壓錨索受力曲線

采用新工藝提前完成回撤通道的掘進(jìn)、支護(hù)、補強(qiáng)、切縫等工序，保證了頂板的支護(hù)強(qiáng)度和完整性，不同回撤階段回撤通道效果如圖12所示。在綜采工作面與預(yù)留回撤通道貫通前后，回撤過程中頂板完整，為支架回撤創(chuàng)造了良好的安全空間；支架回撤后的采空區(qū)，頂板仍較為完整，整個工作面支架回撤完畢，在貫通側(cè)有漏矸且臺階狀下沉較大的情況下，預(yù)留回撤通道頂板仍保持了較好的完整性，液壓支架工作狀態(tài)良好，無超載現(xiàn)象。

圖12 不同回撤階段回撤通道效果圖

5 結(jié) 論

1)預(yù)留回撤通道安全快速回撤技術(shù)工藝簡單、施工難度低、支護(hù)質(zhì)量有保障，確保了工作面回撤通道頂板的完整性，極大的降低了末采及回撤支架期間安全風(fēng)險，已經(jīng)在2119工作面與2117工作面成功應(yīng)用。

2)據(jù)2119工作面回撤的圍巖情況，確定恒阻讓壓錨索直徑取為 21.8mm，支護(hù)長度11.3m，確定切縫高度為11m，切縫角度為20°。回撤通道在工作面回撤過程中頂?shù)装逡平繛?45mm，恒阻讓壓錨索應(yīng)力值最終穩(wěn)定在288kN?？傮w而言，回撤通道變形較小，液壓支架工作狀態(tài)良好，整個回撤過程無超載現(xiàn)象。

3)減少了煤柱的留設(shè)長度，每個工作面可多采出約45000t的煤炭(原工作面原計劃留設(shè)的30m煤柱)，實現(xiàn)凈利潤220余萬元。

4)提高了工作效率，縮短了工作面支架的回撤時間，減少了綜采工作面的銜接時間，保證了礦井生產(chǎn)的正常銜接。

5)預(yù)掘通道斷頂卸壓安全快速回撤技術(shù)的研究與應(yīng)用實踐表明，在上覆巖層破碎、穩(wěn)定性差、泥質(zhì)膠接的頂板的礦井，能夠較好地預(yù)留回撤通道，對于支架的安全、快速回撤，將具有深遠(yuǎn)的實踐意義。