一次采全高綜采工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)

陳立軍

(河南能源化工集團(tuán)新疆投資控股有限公司，新疆 烏魯木齊 830026)

隨著我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，礦井開(kāi)采深度不斷加大，煤層賦存也越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的留煤柱開(kāi)采技術(shù)往往會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重，容易引發(fā)沖擊地壓等地質(zhì)災(zāi)害，難以維護(hù)，影響生產(chǎn)，造成安全隱患[1，2]。同時(shí)傳統(tǒng)的留煤柱開(kāi)采回采“1”個(gè)工作面需要掘出“2”條巷道，保留“1”條區(qū)段煤柱，造成礦井掘進(jìn)成本高、采區(qū)萬(wàn)噸掘進(jìn)率大、回采速度低、接續(xù)緊張等問(wèn)題。沿空留巷技術(shù)是現(xiàn)階段礦井常用的無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)，主要是隨工作面回采推進(jìn)，利用巷旁充填等手段，沿采空區(qū)邊緣維護(hù)保留原回采巷道，從而取消護(hù)巷煤柱，作為下區(qū)段工作面回采巷道使用[3，4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)該技術(shù)進(jìn)行大量的理論與實(shí)踐研究，在沿空留巷圍巖活動(dòng)規(guī)律及頂板控制、巷旁支護(hù)技術(shù)、巷旁充填技術(shù)等方面都取得大量成果。但目前普遍采用的充填沿空留巷開(kāi)采技術(shù)主要以巷旁充填支護(hù)形式為主，并沒(méi)有改變頂板巖層的傳力結(jié)構(gòu)，充填體作為主要承載結(jié)構(gòu)承受頂板較大的作用力，往往導(dǎo)致沿空留設(shè)的巷道變形嚴(yán)重，最終造成巷道維護(hù)費(fèi)用高、存在安全隱患等問(wèn)題[5-8]。為此，結(jié)合塔河礦業(yè)榆樹(shù)泉煤礦生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出了一次采全高綜采工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，并對(duì)其應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行分析，以便提升礦井安全生產(chǎn)水平。

1 工程概況

1.1 工作面概況

榆樹(shù)泉煤礦1014綜采工作面是下10煤層第3個(gè)綜采工作面，整個(gè)工作面呈不規(guī)則的長(zhǎng)方形布置，回采面傾斜長(zhǎng)度175m，工作面上巷長(zhǎng)2846m，下巷長(zhǎng)2754m。1014工作面煤層煤厚3.6～4.5m，平均煤厚4.05m，煤層傾角9°～16°，平均傾角12°。

1014工作面采煤方法為走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。在1014工作面上巷進(jìn)行切頂沿空留巷，留巷段為長(zhǎng)度為500m，留巷完成后服務(wù)于其南部臨近的1012工作面。

1.2 巷道頂?shù)装鍘r性及支護(hù)概況

1014工作面上巷(留巷段)頂板為厚度14.2m的細(xì)砂巖，基本頂為厚度32.2m的細(xì)砂巖及含礫粗砂巖。工作面巷道底板為厚度5.1m的細(xì)砂巖，基本底為厚度6.2m粉砂巖。巷道的頂?shù)装寮皣鷰r屬不穩(wěn)定型。

1014工作面上巷原巷道設(shè)計(jì)為梯形斷面，掘進(jìn)寬度5.08m，凈寬為5.0m，凈中高不低于3.2m，掘進(jìn)斷面為16.3m2，凈斷面為16.0m2。頂板采用螺紋鋼錨桿、金屬網(wǎng)支護(hù)，幫壁采用樹(shù)脂錨桿、塑料網(wǎng)支護(hù)，頂錨桿間排距為1000mm×1000mm，上下幫錨間排距1000mm×800mm，頂錨桿采用?18mm×1800mm螺紋鋼錨桿，幫錨桿采用?16mm×1600mm樹(shù)脂錨桿，頂板布置六排螺紋鋼錨桿，采用“錨網(wǎng)+錨桿”聯(lián)合支護(hù)。

2 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)

2.1 恒阻錨索加固支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

為了保證切頂過(guò)程和周期來(lái)壓期間巷道的穩(wěn)定性，在對(duì)巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂切頂前采用恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)加固。為使恒阻錨索充分發(fā)揮其支護(hù)性能，并避免預(yù)裂爆破和頂板垮落對(duì)其造成的影響，恒阻錨索的長(zhǎng)度一般要大于預(yù)裂切縫爆破高度超過(guò)2m，并確保錨固端位于較穩(wěn)定巖層內(nèi)。考慮到頂板巖層分布、巷道原有支護(hù)參數(shù)情況，恒阻錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度最終選擇為12.3m。

無(wú)煤柱自成巷開(kāi)采技術(shù)區(qū)別于原有的留煤柱開(kāi)采，在垮落位置與時(shí)間上無(wú)煤柱自成巷是確定的，在工作面推進(jìn)過(guò)后，頂板巖石從裂縫線處開(kāi)始垮落和巖石的移動(dòng)；在垮落高度上，無(wú)煤柱自成巷開(kāi)采技術(shù)是平衡開(kāi)采、是充分開(kāi)采，頂板的“兩帶”高度較原來(lái)工法降低，所以在12.3m的恒阻錨索錨固范圍內(nèi)不會(huì)對(duì)恒阻錨索的預(yù)緊力存在影響[9-13]。

1014工作面上巷共布設(shè)2列恒阻大變形錨索，第一列恒阻錨索距切縫鉆孔400mm(距回采側(cè)煤幫500mm)，排距1000mm，相鄰錨索之間使用3000mm×300mm×5mm的W型鋼帶連接；第二列恒阻錨索沿巷道中線布置，排距2000mm。1014上巷恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及切縫鉆孔布置如圖1所示。

圖1 1014上巷恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及切縫鉆孔布置

2.2 頂板預(yù)裂爆破施工工藝

頂板預(yù)裂爆破采用雙向聚能預(yù)裂爆破技術(shù)，將特定規(guī)格的炸藥裝在兩個(gè)設(shè)定方向有聚能效應(yīng)的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設(shè)定方向上均勻受壓，而在設(shè)定方向上集中受拉，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巖石按設(shè)定方向拉裂成型，從而實(shí)現(xiàn)巖體按設(shè)定方向張拉斷裂成型[14，15]。

2.2.1 切縫鉆孔深度與間距

預(yù)裂切縫鉆孔深度與采高、頂板下沉量及底鼓量有關(guān)，一般通過(guò)如下方式確定：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

式中，ΔH煤為工作面采高，m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)，根據(jù)頂板巖性，K取1.4。

在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，工作面采高取最大值4m時(shí)，綜合考慮頂板巖性及以往施工經(jīng)驗(yàn)，確定預(yù)裂切縫孔深度為H縫=10m。切縫孔距巷道回采側(cè)幫100mm，切縫面與鉛垂線夾角為15°，切縫孔間距為500mm。

2.2.2 爆破工藝參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行單孔試驗(yàn)，確定合理的裝藥量和封泥長(zhǎng)度，再進(jìn)行間隔爆破，觀察兩相鄰裝藥孔間窺視孔內(nèi)裂紋情況，如兩相鄰裝藥孔間窺視孔裂紋未達(dá)到裂縫率要求標(biāo)準(zhǔn)，再進(jìn)行一次連續(xù)爆破試驗(yàn)，最終確定一次爆破孔數(shù)以及爆破方式等。

雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管內(nèi)徑為36.5mm，外徑為42mm，管長(zhǎng)1500mm。聚能爆破采用礦用三級(jí)乳化炸藥，炸藥規(guī)格為直徑?32mm×200mm，采用炮泥封孔，封孔長(zhǎng)度不小于2.0m。1014綜采工作面上巷參照其他礦井施工經(jīng)驗(yàn)按照至少超前工作面50m進(jìn)行預(yù)裂切縫爆破。

2.3 堅(jiān)硬頂板切頂方案

由于1014工作面上覆砂巖較硬，當(dāng)支架后方采空區(qū)懸頂距離過(guò)大或者采空區(qū)垮落矸石塊度較大時(shí)，為防止砂巖頂板的應(yīng)力集中和巷道向采空區(qū)漏風(fēng)，應(yīng)在原頂板預(yù)裂鉆孔的基礎(chǔ)上，向工作面頂板施工扇形孔，采用深孔松動(dòng)爆破的方式，對(duì)綜采工作面堅(jiān)硬砂巖頂板進(jìn)行弱化處理，充分預(yù)裂及松動(dòng)頂板，使工作面回采后采空區(qū)頂板垮落及時(shí)且充填密實(shí)。

每2個(gè)松動(dòng)爆破鉆孔為1組，孔深依次為11m、14m，與鉛垂線分別呈30°、45°夾角(偏向采空區(qū))，相鄰兩組松動(dòng)爆破鉆孔的間距為5m，松動(dòng)爆破鉆孔布置如圖2所示。深孔松動(dòng)爆破鉆孔使用深孔鉆機(jī)ZDY1900S進(jìn)行施工，鉆頭直徑為?94mm。

圖2 留巷段頂板深部松動(dòng)爆破扇形鉆孔布置(mm)

本次設(shè)計(jì)的松動(dòng)爆破鉆孔頂部裝填礦用三級(jí)乳化炸藥長(zhǎng)度3000mm，藥卷規(guī)格為?32mm×200mm，為保證爆破效果和安全，封孔長(zhǎng)度取6m。為了保證安全，簡(jiǎn)化操作，并使裝藥充分引爆，保證起爆的可靠性，每一個(gè)炮孔的炸藥串由兩根毫秒延期電雷管起爆，每次只準(zhǔn)起爆一組炮孔。充填堵孔應(yīng)采用黃土細(xì)砂等塑性材料，以保證爆炸氣體不沖出孔口并對(duì)巖體產(chǎn)生持續(xù)的作用，充分利用炸藥能量，提高超前松動(dòng)爆破效果。

在1014綜采工作面上向工作面頂板施工扇形深孔松動(dòng)爆破鉆孔對(duì)頂板進(jìn)行弱化處理，后期根據(jù)跟蹤觀測(cè)深孔爆破后頂板垮落的情況，及時(shí)調(diào)整深孔松動(dòng)爆破鉆孔的參數(shù)，確保達(dá)到最佳效果。

3 效益分析

3.1 技術(shù)效益

1)該技術(shù)應(yīng)用于1014大采高綜采工作面，開(kāi)拓了切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷道掘進(jìn)采煤應(yīng)用新領(lǐng)域，引領(lǐng)礦業(yè)技術(shù)變革向前推進(jìn)。

2)形成了大采高開(kāi)采110工法現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)新工藝，完善110工法技術(shù)工藝。

3)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，提出了適應(yīng)堅(jiān)硬頂板條件下110工法的合理支護(hù)和設(shè)計(jì)方法。

4)改變和優(yōu)化經(jīng)典的圍巖分布規(guī)律，圍巖變形量、巷道底鼓量大大減少；工作面及巷道圍壓大幅度減少；由于切縫技術(shù)，采動(dòng)期間超前壓力大幅度減少；降低了圍巖應(yīng)力集中問(wèn)題，提高因其受限的工作面推進(jìn)速度，降低了萬(wàn)噸掘進(jìn)率。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

1)節(jié)約巷道掘進(jìn)成本。采用切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷開(kāi)采技術(shù)，工作面可少掘一條巷道，按照榆樹(shù)泉煤礦1014工作面剩余1000m工作面計(jì)算，采用新技術(shù)可減少掘進(jìn)巷道1000m，按照4000元/m計(jì)算，節(jié)約成本400萬(wàn)元，同時(shí)，還可以相對(duì)減少掘進(jìn)施工單位人員的工作分配量，減少隊(duì)伍數(shù)量，減少掘進(jìn)機(jī)、連采機(jī)購(gòu)置和維護(hù)費(fèi)用，從而節(jié)省大量掘進(jìn)開(kāi)支，有利于礦井總體效益的提高。

2)提高煤炭回收率。采用切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷開(kāi)采技術(shù)無(wú)需留設(shè)煤柱，按照榆樹(shù)泉煤礦傳統(tǒng)采煤方法每個(gè)工作面之間需留設(shè)煤柱約30m，按采高4.05m計(jì)算，采用新技術(shù)每米巷道可多回收煤炭資源157.95t；按照噸煤市場(chǎng)價(jià)格600元/t計(jì)算，每米巷道可增加收益9.477萬(wàn)元。

3)減少巷道支護(hù)成本。通過(guò)采用切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷開(kāi)采技術(shù)，將“切頂短臂梁”理論應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，通過(guò)在采空區(qū)側(cè)定向切頂，切斷部分頂板的礦山壓力傳遞，進(jìn)而利用頂板巖層壓力，同時(shí)利用頂板部分巖體，使巷道頂板形成短臂梁，減小圍巖應(yīng)力集中，減弱頂板周期性壓力，保證巷道圍巖穩(wěn)定性，從而可以優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，減少巷道支護(hù)和維護(hù)成本，提高生產(chǎn)效益。

4 結(jié) 論

1)采用切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷開(kāi)采技術(shù)，可以效地降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；少掘一條巷道，從而直接降低了巷道掘進(jìn)事故的發(fā)生，同時(shí)極大緩解礦井采掘銜接矛盾，提高了煤炭回收率，有利于生產(chǎn)集中化和高產(chǎn)高效；切頂卸壓后，降低了工作面一定范圍內(nèi)的周期壓力和巷道內(nèi)的壓力，從而提高了生產(chǎn)安全性。

2)一次采全高綜采工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)是從新理論—設(shè)計(jì)方法—施工工藝—現(xiàn)場(chǎng)示范形成的新工藝，為該技術(shù)向國(guó)內(nèi)條件類似礦井推廣奠定了基礎(chǔ)。試驗(yàn)成功后每個(gè)工作面可以少掘一條回采巷道，降低巷道掘進(jìn)率，緩解礦井采掘矛盾，提高礦井產(chǎn)量；取消煤柱，提高煤炭回收率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，實(shí)現(xiàn)煤炭資源完全開(kāi)采；利用巖體碎脹特性減少地面裂縫，有利于礦區(qū)地表生態(tài)的保護(hù)；有效緩解礦井沖擊地壓難題，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井生產(chǎn)。