切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的思考

李向陽(yáng)

(山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦)

沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)要達(dá)成的目標(biāo)：一個(gè)工作面，一條巷道，零個(gè)煤柱，即所謂的“110工法”，“110工法”是煤炭開(kāi)采技術(shù)的一次重大變革，它顛覆了傳統(tǒng)以支護(hù)為主體控制圍巖的理論體系，通過(guò)對(duì)巷道頂板關(guān)鍵層的切頂達(dá)成卸壓的目的，配合以傳統(tǒng)的支護(hù)理論體系，達(dá)成控制工作面采場(chǎng)圍巖的目的[1-3]?！?10工法”的實(shí)施，有效地解決了傳統(tǒng)開(kāi)采方式資源回收率低、工作面銜接緊張、受動(dòng)壓巷道極難維護(hù)的技術(shù)難題，它通過(guò)對(duì)礦山壓力、頂板巖體構(gòu)架、巷道已有支護(hù)、采場(chǎng)形成的有效空間及巖石碎漲系數(shù)的利用，實(shí)現(xiàn)了降低巷道頂板周期來(lái)壓強(qiáng)度、降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛?、降低煤炭自燃概率的效果?/p>

1 對(duì)切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的思考

沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)實(shí)施過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)在于“拉得住、切得開(kāi)、下得來(lái)、護(hù)得住”(何滿(mǎn)潮院士《長(zhǎng)壁開(kāi)采切頂短壁梁理論及其110工法——第三次礦業(yè)科學(xué)技術(shù)變革》)。巷道頂板“拉得住”才能確保工作面向前推進(jìn)的過(guò)程中，巷道形成的已有空間不會(huì)受到破壞，為沿空留巷的前提；“切得開(kāi)”才能保證工作面推進(jìn)過(guò)程中關(guān)鍵層順利沿巷道欲裂縫切開(kāi)；“下得來(lái)”才能確保來(lái)自巷道頂板周期來(lái)壓形成的應(yīng)力集中區(qū)得以釋放，確保巷道頂板載荷在可控區(qū)間內(nèi)；“護(hù)得住”才能確保沿空留巷形成的巷道得以重復(fù)利用。

1.1 “拉得住”問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于拉得住的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)較為領(lǐng)先的支護(hù)技術(shù)是恒阻大變形錨索、高強(qiáng)度錨桿錨索支護(hù)技術(shù)、耦合支護(hù)理論。

(1)使用恒阻大變形錨索，允許巷道頂幫存在較大的變形，而工作面支護(hù)不失效，確保巷道在受到較大的壓力沖擊時(shí)，支護(hù)完好可靠[4-7]。恒阻大變形錨索采用具有特殊結(jié)構(gòu)的恒阻大變形裝置，使錨索支護(hù)既具有恒阻條件下抵抗變形的能力，又具有抵抗沖擊變形能量的功能。沿空留巷時(shí)，在巷道回采側(cè)的原支護(hù)中間布置恒阻大變形錨索，可使巷道具有接受大變形而不受損毀的能力。

(2)使用高強(qiáng)度錨桿、錨索支護(hù)，可使巷道承受較大載荷，尤其對(duì)于沿空留巷巷道，在巷道受到較大動(dòng)壓時(shí)，高強(qiáng)度錨桿、錨索的支護(hù)效果得以極大限度的發(fā)揮。

(3)采用耦合支護(hù)理論對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，巷道的支護(hù)強(qiáng)度直接關(guān)系到沿空留巷的效果，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要采用耦合設(shè)計(jì)理論，根據(jù)巷道圍巖性質(zhì)、巷道受力狀況，對(duì)巷道兩幫及頂板設(shè)置更為合理、更為科學(xué)的差異性支護(hù)形式，需沿空留巷的巷道，應(yīng)在巷幫破壞側(cè)的頂板、底板采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)支護(hù)措施，比如使用高強(qiáng)度錨桿、錨索，使用恒阻大變形錨索、打注地腳錨桿等。

1.2 “切得開(kāi)”與“下得來(lái)”問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于“切得開(kāi)”與“下得來(lái)”問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的技術(shù)為雙向聚能爆破技術(shù)、高壓水力切頂技術(shù)[8-10]。

(1)雙向聚能爆破技術(shù)是利用預(yù)先設(shè)置在火藥套筒上的2排聚能孔，形成了火藥套筒的最初弱面，當(dāng)火藥引爆時(shí)，爆破沖擊能量首先通過(guò)套筒弱面?zhèn)鞑?，從而達(dá)成沖擊破定向傳播的目的，在裝藥時(shí)，將相鄰炮眼火藥套筒的聚能孔呈線(xiàn)性排列，可達(dá)到連點(diǎn)成線(xiàn)的目的，從而有效地保證了爆破沿既定方向傳播的目的，確保了爆破效果。

雙向聚能爆破實(shí)施過(guò)程中，需要通過(guò)巷道上覆巖層柱狀圖來(lái)確定頂板關(guān)鍵層的位置，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)炮眼深度；炮眼密度可根據(jù)關(guān)鍵層巖石硬度決定。合理地炮眼布置、正確地使用火藥套筒、科學(xué)的裝藥方式將會(huì)對(duì)切頂卸壓的效果起著關(guān)鍵作用。

(2)水力切頂技術(shù)是利用高壓水在封閉的孔洞預(yù)先弱化頂板巖體，最終實(shí)現(xiàn)巖體沿巷道最大軸向應(yīng)力開(kāi)裂的目的。使用該方式進(jìn)行巷道的切頂卸壓，需在預(yù)先打設(shè)布置在巷道關(guān)鍵層的注水孔，并對(duì)注水孔進(jìn)行有效的封閉，然后將高壓水源源不斷的送入注水孔，直至水壓突然降低、巷道頂板巖體破壞為止。高壓水破壞巷道巖體時(shí)，裂縫方向?yàn)橄锏乐鲬?yīng)力方向，由于巷道主應(yīng)力方向在工程環(huán)境下無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)判，給切頂過(guò)程會(huì)帶來(lái)一定的不確定因素?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)該合理布置注水孔的密度及深度，注水過(guò)程中最好多個(gè)注水孔同時(shí)注水，以達(dá)成裂縫向預(yù)定方向延伸的目的。

1.3 “護(hù)得住”問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)

巷道頂板沿預(yù)定方向、預(yù)定深度成功切開(kāi)后，只有有效的解決巷旁支護(hù)問(wèn)題，才能確保沿空留巷的最終成果。對(duì)于巷旁支護(hù)，目前國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的技術(shù)為預(yù)制混凝土墻技術(shù)、高恒阻支架配合金屬網(wǎng)噴混凝土技術(shù)、高水材料密閉墻技術(shù)。

(1)使用預(yù)制混凝土墻進(jìn)行巷旁支護(hù)時(shí)，要將預(yù)制的混凝土塊使用水泥漿構(gòu)筑成墻，然后使用水泥漿對(duì)墻體進(jìn)行封閉，以達(dá)成封閉采空區(qū)的目的。預(yù)制混凝土墻在實(shí)施過(guò)程中存在以下弊端：混凝土墻自身可承受的外力較大，但使用混凝土墻時(shí)，不能保證混凝土墻及時(shí)接頂，從而達(dá)不到及時(shí)支護(hù)的目的；預(yù)制混凝土墻的運(yùn)輸工作量極大，影響沿空留巷封閉速度，制約生產(chǎn)；混凝土墻依靠水泥砂漿連接，連接效果差，受壓時(shí)，極易破壞，從而影響沿空留巷效果。

(2)高恒阻支架配合金屬網(wǎng)噴混凝土技術(shù)即使用高恒阻支架，在支架的采空區(qū)冒落側(cè)，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，并設(shè)置檔桿板，待工作面頂板冒落并形成較為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，回撤高恒阻支架，并對(duì)巷道進(jìn)行噴混凝土封閉，以達(dá)成沿空留巷的目的。

(3)使用高水材料進(jìn)行巷旁支護(hù)時(shí)，要在工作面以外的集中巷道設(shè)置泵站，然后通過(guò)泵站將高水材料源源不斷的送入巷道高水模型墻內(nèi)，以達(dá)成巷道支護(hù)、封閉采空區(qū)的目的。高水材料具有支護(hù)阻力大、增阻速度快、適量可縮的特點(diǎn)，在構(gòu)筑高水材料墻時(shí)，可在墻的四周預(yù)先設(shè)置鋼筋網(wǎng)，并使用雙向錨桿將鋼筋網(wǎng)連城一體，以達(dá)成提高高水墻強(qiáng)度的目的。

2 切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)在馬蘭礦的應(yīng)用階段

目前，沿空留巷技術(shù)在馬蘭礦尚未實(shí)施，但深孔爆破切頂卸壓技術(shù)已在馬蘭礦18301輔運(yùn)巷、18504切眼初步進(jìn)行了嘗試，但應(yīng)用效果尚不明顯。沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)在馬蘭礦的展開(kāi)可以分以下幾個(gè)階段進(jìn)行。

(1)第一階段：繼續(xù)進(jìn)行切頂卸壓技術(shù)嘗試，著力解決馬蘭礦順序開(kāi)采造成的動(dòng)壓顯現(xiàn)劇烈問(wèn)題。

以馬蘭礦南六采區(qū)為例，采區(qū)同時(shí)回采02#煤、2#煤，屬典型的煤層群開(kāi)采采區(qū)，工作面回采順序多為順序開(kāi)采，開(kāi)采過(guò)程中，相鄰巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，可通過(guò)繼續(xù)嘗試使用切頂卸壓技術(shù)解決巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈狀況。嘗試時(shí)，技術(shù)人員需在爆破技術(shù)、炮眼參數(shù)、關(guān)鍵層確定等方面多加思考，不斷優(yōu)化爆破方法工藝，以達(dá)成卸壓的目的。

(2)第二階段：嘗試當(dāng)前國(guó)內(nèi)主動(dòng)支護(hù)新技術(shù)，著力解決沿空留巷受動(dòng)壓區(qū)段巷道支護(hù)問(wèn)題。在馬蘭礦受采動(dòng)影響巷道逐步嘗試使用高強(qiáng)度錨桿錨索支護(hù)、球形墊片調(diào)心錨桿錨索支護(hù)、高恒阻大變形錨索支護(hù)、注漿錨桿支護(hù)等先進(jìn)的支護(hù)理念，嘗試使用耦合支護(hù)理論設(shè)計(jì)巷道支護(hù)參數(shù)，通過(guò)對(duì)新的巷道支護(hù)技術(shù)、新的巷道支護(hù)理念的逐步嘗試，使得馬蘭礦的支護(hù)設(shè)計(jì)理論體系逐步完善、成熟，并在受動(dòng)壓巷道的應(yīng)用中取得顯著成果。

(3)第三階段：初步小范圍嘗試沿空留巷技術(shù)，著力解決沿空留巷巷旁支護(hù)問(wèn)題、沿空留巷與采空區(qū)密閉問(wèn)題。在切頂卸壓及動(dòng)壓支護(hù)問(wèn)題得到有效解決的條件下，可以在條件較好的巷道小范圍嘗試沿空留巷技術(shù)，在此過(guò)程中，需要解決巷旁支護(hù)問(wèn)題、采空區(qū)密閉問(wèn)題、端頭支護(hù)問(wèn)題、勞動(dòng)組織等一系列問(wèn)題。

(4)第四階段：展開(kāi)應(yīng)用沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采新技術(shù)，在實(shí)際使用過(guò)程中不斷摸索、不斷形成一套成熟的技術(shù)體系。

前三階段的嘗試取得既定成果后，即可開(kāi)展切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的實(shí)施嘗試，著力攻破各項(xiàng)技術(shù)難題。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)實(shí)施過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)在于“拉得住、切得開(kāi)、下得來(lái)、護(hù)得住”， 介紹了對(duì)切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中的這些關(guān)鍵核心問(wèn)題的思考。切頂卸壓無(wú)煤柱沿空留巷開(kāi)采是一個(gè)系統(tǒng)化的開(kāi)采技術(shù)理論體系，目前這套理論體系已在我國(guó)多個(gè)礦井得以實(shí)施，有效提高了煤炭資源回收率，降低生產(chǎn)成本，踐行了科技減人的戰(zhàn)略。