深部開采工作面切頂卸壓留巷技術研究

劉 剛

(鐵法煤業(yè)集團勘測設計有限責任公司， 遼寧 調兵山 112700)

1 前言

隨著煤炭資源的不斷回采，部分礦井已進入深部開采，生產(chǎn)時地應力、瓦斯、地質構造等對煤炭回采影響更為顯著[1]。深部開采礦井若采用常規(guī)的護巷煤柱留巷方式，不僅煤炭回收率低(大量護巷煤柱煤炭資源無法回采)、巷道掘進效率低下，而且在地應力作用下煤柱容易出現(xiàn)沖擊低壓問題，給煤炭資源的安全、高效回采帶來不利影響[2-4]。切頂卸壓留巷技術通過預先施工切頂卸壓鉆孔切斷留巷段頂板與采空區(qū)側頂板間應力傳遞路徑，從而為沿空留巷創(chuàng)造良好條件，在井下應用逐漸廣泛[5-6]。本文以某礦80706綜采工作面為工程實例，對工作面采用的切頂卸壓留巷技術進行研究，以期在一定程度上提升深部礦井開采安全保障能力。

2 工程概況

80706綜采工作面位于7采區(qū)，開采的8#煤層具有瓦斯突出危險性，工作面設計回采長度870 m、斜長230 m。8#煤埋深平均650 m，頂?shù)装鍘r層以砂質泥巖、粉砂巖及砂巖為主，地質構造簡單，煤層傾角0°～5°，具體8#煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

由于8#煤附近無保護層可采，礦井8#采用掘進底板瓦斯抽采巷進行底板瓦斯抽采的區(qū)域瓦斯，瓦斯治理耗時長、工作面巷道掘進效率低下、采掘接替局面十分緊張。因此，礦井決定采用切頂卸壓留巷技術，將80706綜采工作面回風巷道保留下為鄰近的80708綜采工作面生產(chǎn)服務。80706回風巷道為矩形斷面，巷寬、巷高分別為5 400 mm、2 900 mm，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式。

表1 8#煤頂板巖性參數(shù)

3 留巷技術方案

根據(jù)以往研究成果并結合鄰近礦井切頂留巷技術工藝，將切頂卸壓留巷工作劃分為4個主要環(huán)節(jié)[7]：80706回風巷道頂板超前支護；切頂卸壓；工作面后方不穩(wěn)定區(qū)頂板及巷幫擋矸支護；工作面后方穩(wěn)定區(qū)頂板支護。

3.1 回風巷道頂板超前支護

為了確保留巷段頂板巖層穩(wěn)定，根據(jù)以往研究成果，提出在留巷段采用恒阻錨索方式對頂板進行補強支護。采用的恒阻錨索規(guī)格為φ21.6 mm×12 000 mm鋼絞線(破斷力不小于550 kN、延伸率不小于5%)，與工作面巷間距為600 mm，并垂直頂板施工。恒阻錨索按照1 000 mm間距布置，并通過W鋼帶將恒阻錨索連接。具體巷道原支護參數(shù)及恒阻錨索布置如圖1所示。

圖1 膠運巷道恒阻錨索補強支護圖

3.2 切頂卸壓

1) 切頂卸壓鉆孔布置

切頂卸壓爆破孔沿著留巷段采空區(qū)幫布置，與巷幫間距為100 mm，孔徑為50 mm。為了降低爆破給巷道頂板支護影響，切頂卸壓爆破孔傾角設計70°。

施工爆破切頂卸壓鉆孔高度需要切斷采空區(qū)與留巷段頂板間應力傳遞路徑，同時采空區(qū)頂板垮落后可充填開采空間，對采空區(qū)頂板巖層進行支撐。具體切頂高度為[8]

(1)

式中：MZ——切頂卸壓高度，m；

KA——冒落矸石的碎脹系數(shù)，取1.28；

H——采高，取2 m。

經(jīng)計算后求得：MZ=10.36 m。

切頂卸壓鉆孔傾角β為70°，具體求得切頂卸壓鉆孔鉆進深度L=MZ/sinβ。

計算求得L=11.02 m，具體取值為11.5 m。采用工程類比法確定切頂卸壓鉆孔布置間距設計為600 mm。

2) 裝藥結構

切頂卸壓鉆孔內(nèi)裝入規(guī)格φ35 mm×180 mm煤礦許用二級乳化炸藥，單卷0.2 kg，不耦合裝藥方式，用煤礦許用毫秒延期電雷管引爆。切頂卸壓鉆孔深度為11.5 m，封孔長度、裝藥長度分別為3.0 m、8.5 m，單孔裝藥量Q約為6.0 kg。具體鉆孔內(nèi)裝藥結構如圖2所示。

圖2 裝藥結構

3.3 工作面后方不穩(wěn)定區(qū)頂板及巷幫擋矸支護

根據(jù)礦壓監(jiān)測結果以及數(shù)值模擬結果，判定工作面后方不穩(wěn)定區(qū)范圍為工作面后方0～200 m，在此區(qū)間采用由切頂護板支架+單體+π型鋼組成的架棚并結合原有的錨網(wǎng)索支護體系對巷道頂板進行支護。

1) 頂板支護

工作面后方不穩(wěn)定區(qū)頂板支護采用ZQ4000/20.6/45切頂護板支架+DW31.5-200/100x單體柱+π型鋼組成架棚進行支護，具體如圖3所示。切頂護板支架位于留巷幫、單體支柱位于實體煤幫，與巷幫間距分別為500 mm、600 mm，設計初撐力分別為24 MPa、11.46 MPa。切頂護板支架間距為200 mm布置、單體支柱間距為500 mm布置。

圖3 不穩(wěn)定區(qū)頂板支護

2) 擋矸支護

采用“單體支柱+29U型鋼+金屬網(wǎng)”僅靠采空區(qū)幫構成擋矸支護體系，具體如圖4所示。單體支柱均按照600 mm間距布置且下部穿柱鞋、避免單體在頂板壓力作用下下限進入巷道底板，在單體一側布置均布置29U型鋼間距。金屬網(wǎng)采用φ6 mm鍍鋅鐵絲編制，采用14#鐵絲將金屬網(wǎng)與單體、29U型鋼板綁扎牢固。

圖4 擋矸支護體系

3.4 后方穩(wěn)定區(qū)頂板支護

預計工作面后方200 m以外為穩(wěn)定區(qū)，此范圍內(nèi)采空區(qū)頂板活動不頻繁，留巷段頂板受到的壓力會顯現(xiàn)降低。為了降低留巷段支護成本，將靠近采空區(qū)幫的ZQ4000/20.6/45切頂護板支架改為DW31.5-200/100x單體，柱間距均為600 mm，安排1梁2柱形式對頂板進行支護。

為了降低采空區(qū)側漏風量，在巷道鋪設風筒布、噴射混凝土進行封堵。待監(jiān)測圍巖變形趨于穩(wěn)定時則在采空區(qū)幫噴射高分子材料封堵漏風裂隙。

4 留巷效果

待80706回風巷道實時完成切頂卸壓留巷工藝后，為了考察留巷效果，在留巷段內(nèi)每隔100 m布置2個測站對頂?shù)装?、巷幫變形量進行監(jiān)測，監(jiān)測共計耗時30 d，具體獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

兩個測站監(jiān)測范圍內(nèi)頂?shù)装?、巷幫變形量均?2.7 mm、11.2 mm以內(nèi)，頂板變形量在恒阻錨索允許范圍內(nèi)，不會給原有的錨網(wǎng)索支護體系帶來顯著影響。同時巷道圍巖變形量整體較小，可滿足巷道后續(xù)使用需要。具體留巷現(xiàn)場情況如圖5所示。

表2 圍巖變形監(jiān)測結果

圖5 留巷段現(xiàn)場圖

5 結論

(1) 根據(jù)80706回風巷道圍巖條件，提出采用恒阻錨索對頂板進行超前補強，提高留巷期間頂板巖層穩(wěn)定性；采用理論計算方法確定切頂爆破孔深度為11.5 m、傾角70°，不僅可滿足采空區(qū)冒落矸石充填采空區(qū)需要而且爆破不會給巷道頂板錨網(wǎng)索支護產(chǎn)生不利影響。

(2) 在工作面后方留巷段采用ZQ4000/20.6/45切頂護板支架+ DW31.5-200/100x單體柱+π型鋼組成架棚對頂板進行支護可實現(xiàn)留巷段頂板穩(wěn)定，采用單體支柱+29U型鋼+金屬網(wǎng)組成擋矸支護可避免采空區(qū)冒落矸石進入到留巷巷道內(nèi)。

(3) 現(xiàn)場應用后，留巷段頂板、巷幫位移量均較小，可滿足巷道后續(xù)使用需要?，F(xiàn)場應用效果顯著。