12408工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用

曹冬冬

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司安監(jiān)局，山西 太原 030053)

切頂卸壓沿空留巷作為一種煤炭安全高效回采技術(shù)，憑借高煤炭回采率、可延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限、巷道掘進(jìn)量少、成本投入低、可緩解采掘接替緊張和有效治理工作面瓦斯超限等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)在我國(guó)的應(yīng)用日益廣泛[1-3]。因此，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者和專(zhuān)家對(duì)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。王建文等建立了頂板切縫力學(xué)模型,分析了厚煤層切頂卸壓巷道裂隙發(fā)育機(jī)理和影響因素，提出了切頂卸壓沿空巷分段支護(hù)技術(shù)和裂隙發(fā)育判據(jù)條件[4]。王永安和任智敏提出“超前加強(qiáng)支護(hù)+定向預(yù)裂爆破切頂+留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)”的切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，有效消除了開(kāi)采所形成的“弧形三角頂板”對(duì)沿空留巷的影響[5]。針對(duì)上一工作面采動(dòng)影響下沿空留巷變形量大、支護(hù)困難等問(wèn)題，袁超峰、王朋衛(wèi)、高曉旭、王瑨和劉亞洲等分別根據(jù)具體工作面地質(zhì)條件，確定了切頂卸壓具體方案，有效控制了沿空巷道變形量[6-10]。上述研究極大促進(jìn)了切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。本文針對(duì)屯蘭礦12408綜放工作面沿空留巷圍巖變形大、支護(hù)困難的現(xiàn)狀，基于切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理，制定了切頂卸壓沿空留巷方案，并分段對(duì)12408軌道巷道進(jìn)行支護(hù)，以期為類(lèi)似工程條件下的工作面采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工作面概況

屯蘭礦位于太原市以西60 km的西山煤田，目前主采2號(hào)和8號(hào)煤層，其中12408工作面屬南四盤(pán)區(qū)2號(hào)煤層，+750 m水平。工作面地面標(biāo)高1 036～1 175 m，井下標(biāo)高819～874 m。工作面地表以山地地形為主，溝谷縱橫，蓋山厚度186～343 m。工作面北鄰12405采空區(qū)，南側(cè)為未采區(qū)。工作面走向長(zhǎng)度為938 m，傾斜長(zhǎng)度為235.5 m。工作面2號(hào)和3號(hào)煤層厚度穩(wěn)定，采取合并聯(lián)采方式進(jìn)行回采。2號(hào)煤層厚度為2.87～3.15 m，均厚3.01 m；2號(hào)與3號(hào)煤層間有一層均厚0.73 m的炭質(zhì)泥巖；3號(hào)煤層厚度為0.72～1.10 m，均厚0.91 m；煤巖層總厚度為4.65 m，煤層有益厚度為3.92 m。2號(hào)和3號(hào)煤層煤質(zhì)均為焦煤。工作面煤層整體向南傾斜，煤層傾角為2～8°，平均傾角5°。工作面及巷道布置如圖1所示，工作面煤巖層及頂?shù)装鍡l件如圖2所示。

圖1 12408工作面及巷道布置示意

圖2 煤巖層綜合柱狀

1.2 工作面存在的問(wèn)題

2號(hào)煤采用“U+瓦斯治理巷+底抽巷”型通風(fēng)方式，即工作面布置4條巷道：軌道巷、膠帶巷、瓦斯治理巷、底抽巷。工作面兩條巷道進(jìn)、回風(fēng)；瓦斯治理巷通過(guò)橫貫與軌道巷道聯(lián)通對(duì)上隅角瓦斯進(jìn)行抽放，瓦斯治理巷與底抽巷形成通風(fēng)系統(tǒng)。在12408工作面回采過(guò)程中，12408軌道巷頂板下沉、幫鼓和底鼓等現(xiàn)象嚴(yán)重，巷道變形較大、斷面變小。在下一工作面回采復(fù)用時(shí)需進(jìn)行拉底、挑頂、擴(kuò)幫施工，增大了職工勞動(dòng)強(qiáng)度和支護(hù)成本、降低了安全系數(shù)、降低了單進(jìn)效率、影響了礦井有序銜接，嚴(yán)重制約了礦井安全高效生產(chǎn)。為了解決上述問(wèn)題，決定在12408工作面進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，切頂巷道為12408軌道巷道(矩形斷面，斷面尺寸為5 000 mm×3 500 mm)。

2 切頂卸壓沿空留巷基本原理和方案設(shè)計(jì)

2.1 切頂卸壓沿空留巷基本原理

切頂卸壓沿空留巷基本原理如圖3所示。切頂卸壓沿空留巷具體是指對(duì)采場(chǎng)前方預(yù)留巷道進(jìn)行超前支護(hù)后，在留巷內(nèi)側(cè)巖體中布設(shè)爆破切頂炮孔，對(duì)采場(chǎng)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破致使頂板按設(shè)定角度和方向產(chǎn)生切縫，以切斷采空區(qū)頂板和采場(chǎng)頂板間的聯(lián)系，從而達(dá)到降低留巷頂板應(yīng)力的目的[4]。在對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂切縫后，隨工作面推進(jìn)頂板懸露面積增大，沿空留巷采空區(qū)側(cè)頂板在周期來(lái)壓作用下發(fā)生回轉(zhuǎn)并從預(yù)留切縫處垮落，進(jìn)而形成沿空巷巷幫[4-5]。此外，在沿空留巷原支護(hù)基礎(chǔ)上，對(duì)巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，從而維護(hù)沿空留巷圍巖穩(wěn)定。

圖3 切頂卸壓沿空留巷基本原理

2.2 切頂卸壓方案及參數(shù)

1) 布孔方式。圖4和圖5分別為切頂卸壓炮孔布設(shè)平面圖和切頂卸壓炮孔剖面圖。圖4中圓圈表示開(kāi)口位置。沿巷道采空區(qū)側(cè)頂板布設(shè)1排炮孔，根據(jù)工作面地質(zhì)條件，應(yīng)力波與爆生氣體準(zhǔn)靜壓共同作用條件，確定了炮孔間距為1 500 mm。設(shè)計(jì)鉆孔直徑D≤50 mm，選用鉆桿直徑D=42 mm，鉆頭直徑D=48 mm，炮孔直徑D=50 mm，炮孔與豎直方向夾角α=11°。

圖4 切頂卸壓炮孔布設(shè)平面(mm)

圖5 切頂卸壓炮孔剖面(mm)

2) 炮孔長(zhǎng)度。由12408工作面地質(zhì)條件和鉆孔取芯巖性分析結(jié)果知，工作面上方14.5 m范圍內(nèi)的巖層為主要弱化巖層。因此，根據(jù)式(1)[8-10]求得炮孔長(zhǎng)度L：

(1)

其中，Mc為炮孔垂直深度，m；α為炮孔與豎直方向夾角，°。

3) 裝藥參數(shù)及結(jié)構(gòu)。裝藥長(zhǎng)度為7 m，封泥長(zhǎng)度為8 m，具體裝藥參數(shù)見(jiàn)表1。采用不耦合裝藥，正向爆破。每個(gè)切頂孔在裝藥前，先在巷道內(nèi)按照爆破裝藥設(shè)計(jì)參數(shù)從孔底聚能管開(kāi)始連續(xù)裝藥并安設(shè)雷管和引線(xiàn)，然后將引線(xiàn)穿過(guò)第二根聚能管，并將第一根和第二根聚能管用連接件連接，然后按照上述方法，依次完成全部聚能管裝藥。另外，在炮孔封泥封孔前，采用聚能爆破定向桿調(diào)整聚能管切縫方向與切頂線(xiàn)一致，調(diào)整完畢方可封泥。

表1 爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

3 沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的特點(diǎn)及以往工作面礦壓強(qiáng)度顯現(xiàn)的不同程度，將12408軌道巷道劃分為三段分別進(jìn)行支護(hù)加固，具體為：

1) 超前支護(hù)：在切縫前，采用單體液壓支柱(間距800 mm)+工字鋼(4 m長(zhǎng)11號(hào)工字鋼)超前工作面100 m對(duì)12408軌道巷道進(jìn)行超前支護(hù)。

2) 留巷段補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)：在距巷道煤壁2 700 mm處施工1排錨索(錨索為D21.6 mm×6 300 mm、間距1 000 mm、D16 mm的圓鋼托架連接)，對(duì)12408軌道巷道留巷段進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

3) 留巷段架后加固及擋矸：在12408軌道巷道留巷段架后采用木頭堆柱對(duì)巷道進(jìn)行加固支護(hù)(堆柱2根為一組，距幫2 000 mm，間距1 000 mm)，采用鋼筋網(wǎng)擋矸，木板進(jìn)行封閉。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)本次切頂卸壓效果，在12408軌道巷道內(nèi)按間距100 m布置2個(gè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)站(1號(hào)和2號(hào)測(cè)站)，采用十字布點(diǎn)法對(duì)12408軌道巷表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，觀(guān)測(cè)頻率為1次/d，累計(jì)觀(guān)測(cè)50 d，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 切頂后50 d內(nèi)巷道表面位移量

由圖6可知，12408軌道巷道實(shí)施切頂卸壓后50 d內(nèi)，1號(hào)和2號(hào)測(cè)站所監(jiān)測(cè)的巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏烤氏瓤焖僭龃蠛筅呌诜€(wěn)定的變化規(guī)律，巷道頂?shù)装逦灰屏棵黠@大于兩幫位移量。另外，1號(hào)測(cè)站所監(jiān)測(cè)的巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏孔畲笾捣謩e為108.71 mm和91.12 mm，2號(hào)測(cè)站所監(jiān)測(cè)的巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏孔畲笾捣謩e為111.89 mm和88.69 mm，表明采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)后，12408軌道巷頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏烤谠试S范圍內(nèi)，滿(mǎn)足下一工作面復(fù)用要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 對(duì)12408工作面存在的問(wèn)題進(jìn)行分析并提出了切頂卸壓沿空留巷技術(shù)。

2) 基于切頂卸壓沿空留巷技術(shù)基本原理并結(jié)合12408工作面具體地質(zhì)條件，制定了切頂卸壓沿空留巷具體方案。

3) 在切頂后將12408軌道巷劃分為超前工作面100 m、留巷段和留巷段架后三段分別進(jìn)行支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明：12408軌道巷頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏孔畲笾捣謩e為111.89 mm和91.12 mm，能夠保證正常使用。