黃家溝煤礦切頂卸壓沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用

呂人杰，張科學(xué)，亢 磊，楊海江，王曉玲，朱俊傲

(1.山西華潤(rùn)聯(lián)盛能源投資有限公司技術(shù)部，山西省呂梁市，033000；2.華北科技學(xué)院智能化無(wú)人開采研究所，北京市石景山區(qū)，101601；3.河北省礦山智能化開采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北省廊坊市，065201；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)，100083)

近年來(lái)，切頂卸壓沿空留巷技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)提高資源利用率、提升經(jīng)濟(jì)效益有十分明顯的作用。我國(guó)學(xué)者在切頂卸壓沿空留巷技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究：劉大江等[1]利用數(shù)值模擬和理論分析方法，實(shí)現(xiàn)了良好的擋矸和卸壓效果；楊戰(zhàn)標(biāo)等[2]采用D型聚能管定向斷裂爆破方法，實(shí)現(xiàn)了定向爆破，提高了巷道穩(wěn)定性；孔慶軍等[3]利用礦壓監(jiān)測(cè)等方法，構(gòu)建了底鼓大變形綜合控制技術(shù)體系，其成果對(duì)控制沿空留巷底鼓大變形具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義；陳立軍[4]利用一次采全高切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，利用鋼帶+恒阻大變形錨索進(jìn)行加固，實(shí)現(xiàn)了很好的支護(hù)效果；王文林等[5]在復(fù)雜應(yīng)力擾動(dòng)條件下，利用水壓致裂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了定向預(yù)裂，有效控制了留設(shè)巷道的變形；范凱[6]針對(duì)圍巖控制效果不明顯等問(wèn)題，通過(guò)檢測(cè)頂板變形全過(guò)程，得到了頂板突變式變形關(guān)鍵點(diǎn)；張占勝[7]通過(guò)理論計(jì)算，得到了爆炸技術(shù)參數(shù)，形成了定向切頂爆炸方案，并在實(shí)踐中成功運(yùn)用該技術(shù)，促進(jìn)了煤炭的高效開采；陳上元等[8]通過(guò)數(shù)值模擬分析了深部沿空切頂巷道卸壓效果，基于液壓支架壓力監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)了圍巖應(yīng)力演化規(guī)律，構(gòu)建了深井沿空切頂巷道圍巖協(xié)同控制體系，有效控制了巷道圍巖變形；袁超峰等[9]針對(duì)留巷側(cè)傳遞覆巖壓力導(dǎo)致留巷圍巖破壞失穩(wěn)的現(xiàn)象，建立了相應(yīng)力學(xué)模型，驗(yàn)證了切頂卸壓技術(shù)的可行性；王小龍等[10]從瓦斯管理、預(yù)裂切縫參數(shù)、采空區(qū)支護(hù)等方面分析了沿空留巷的流程，解決了沿空留巷上隅角瓦斯積聚問(wèn)題；梁華杰等[11]利用高強(qiáng)度錨索配合單體液壓支柱邁步抬棚，并對(duì)超前支護(hù)巷道頂板預(yù)裂爆破，達(dá)到了巷道的穩(wěn)定支護(hù)；馬新根等[12]總結(jié)了切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的工藝流程及工序關(guān)系，將留巷分為動(dòng)壓承載區(qū)、煤體支撐區(qū)和成巷穩(wěn)定區(qū)，并建立相應(yīng)的力學(xué)簡(jiǎn)化模型；朱珍等[13-16]分析了切頂卸壓沿空留巷原理及其關(guān)鍵技術(shù)，制定了與開采環(huán)境相適應(yīng)的技術(shù)方案，達(dá)到了良好的成巷效果；何滿潮等[17-19]研究了不同煤層狀況、不同開采方式和不同地質(zhì)狀況條件下的切頂卸壓沿空留巷方法，實(shí)現(xiàn)了煤礦的安全開采，節(jié)約了大量的煤炭資源。

然而，相關(guān)學(xué)者多是對(duì)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的支護(hù)設(shè)計(jì)、頂板精準(zhǔn)預(yù)裂切縫和巷幫防護(hù)等單個(gè)方面進(jìn)行研究。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，深入研究了黃家溝煤礦切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，有效地控制了頂板的下沉，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性，提高了煤炭資源采出率，對(duì)同類型地質(zhì)條件下的切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用提供借鑒。

1 工程概況

山西臨縣華潤(rùn)聯(lián)盛黃家溝煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120 Mt/a，目前開采8號(hào)、9號(hào)煤層。21801回采工作面位于黃家溝煤礦21采區(qū)，工作面東部為保安煤柱，西部為實(shí)體煤，南部為21采區(qū)回風(fēng)巷，北部為礦界。工作面標(biāo)高+820～+890 m，地面標(biāo)高+1 095～+1 080 m。工作面走向長(zhǎng)度為1 300 m，開切眼長(zhǎng)180 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層中含1層夾矸，厚度為0.12 m，巖性為泥巖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露情況，煤層厚度3.4～4.3 m，平均3.6 m，工作面地質(zhì)與開采條件普遍較好，但是一般都留設(shè)20～30 m左右的煤柱。不合理的區(qū)段煤柱不僅造成了資源的浪費(fèi)，而且造成采空區(qū)應(yīng)力集中，給后續(xù)煤層巷道布置和圍巖控制增加難度，且常規(guī)開采方式采掘接續(xù)緊張，嚴(yán)重制約著礦井的高產(chǎn)高效。因此從生產(chǎn)安全和技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度對(duì)黃家溝21801工作面應(yīng)用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)。

2 沿空留巷方案

試驗(yàn)段確定在21801工作面運(yùn)輸巷，利用切頂卸壓技術(shù)和恒阻大變形錨索等設(shè)備，通過(guò)頂板的精準(zhǔn)預(yù)裂，切斷了局部范圍內(nèi)頂板應(yīng)力的傳遞，使得工作面內(nèi)巷道頂板壓力變小，且精準(zhǔn)預(yù)裂很好地保留了工作面巷道頂板完整性[20]。同時(shí)利用恒阻大變形錨索等設(shè)備對(duì)頂板和巷道進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)加固，有效地控制了頂板的下沉，使得預(yù)留的巷道圍巖最大限度地發(fā)揮自身承載作用，減少巷道圍巖的變形，保證沿空留巷的效果。21801運(yùn)輸巷切頂卸壓留巷施工位置和區(qū)段劃分如圖1所示。

圖1 21801運(yùn)輸巷切頂卸壓沿空留巷施工位置和區(qū)段劃分

3 支護(hù)設(shè)計(jì)

恒阻錨索加固主要包括沿空留巷起始位置的鎖口加固區(qū)和沿空留巷中間段加固區(qū)域。恒阻錨索加固如圖2所示。

(1)沿空留巷起始位置的鎖口加固。通過(guò)在起始位置打設(shè)密集恒阻錨索，完成對(duì)巷道鎖口的加固和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)[21]。頂板采用恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，采用規(guī)格為Φ21.8 mm×11 300 mm的1×19-1860型鋼絞線，破斷力≥550 kN。恒阻大變形錨索打設(shè)數(shù)量為每排4根，間距和排距均為1 m，沿垂直于頂板的方向布置。采用300 mm×300 mm×16 mm的平托盤，使用W型鋼帶進(jìn)行連接，W型鋼帶選用2 600 mm×300 mm×3 mm的鋼板制作。錨固劑采用3根Z2360樹脂錨固劑，錨索錨固力450 kN，恒阻值為350±20 kN，預(yù)緊力≥280 kN，恒阻錨索鎖口加固支護(hù)如圖3所示。

(2)沿空留巷中間段加固。沿空留巷中間段打設(shè)2列恒阻錨索進(jìn)行加固，第1列距離留巷幫700 mm，排距為1 000 mm，第2列距離留巷幫2 200 mm，排距為2 000 mm。恒阻大變形錨索沿垂直頂板方向布置，托盤選用300 mm×300 mm×16 mm的平托盤，中間加工Φ100 mm圓孔。第1列恒阻錨索之間使用W型鋼帶連接(W型鋼帶與巷道平行)，W型鋼帶選用2 600 mm×300 mm×3 mm的鋼板制作。錨固劑采用3根Z2360樹脂錨固劑，暫定錨索錨固力450 kN，暫定恒阻值為350±20 kN，預(yù)緊力≥280 kN。恒阻錨索中間段加固支護(hù)，如圖4所示。

圖2 恒阻錨索加固示意

圖3 恒阻錨索鎖口加固支護(hù)

圖4 恒阻錨索中間段加固支護(hù)

4 頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)

為了達(dá)到更好的留巷效果，在21801工作面開切眼處切頂，確定在開切眼非采側(cè)進(jìn)行切縫，長(zhǎng)度為30 m(距運(yùn)輸巷0～30 m)，切縫孔垂直于頂板，切縫線距煤壁500 mm，間距1 000 mm，切縫孔直徑Φ45 mm，深度10 m。21801工作面運(yùn)輸巷切縫孔距工作面幫200 mm，沿巷道頂板平行布置，間距500 mm，切縫孔直徑Φ45 mm，深度10 m，切縫孔角度與鉛垂線夾角選取15°(傾向采空區(qū)側(cè))。21801工作面頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)如圖5所示。

5 巷幫防護(hù)設(shè)計(jì)

利用擋矸金屬網(wǎng)(鋼筋網(wǎng))和伸縮式護(hù)幫擋矸架對(duì)巷幫擋矸進(jìn)行防護(hù)[22-23]。伸縮式護(hù)幫擋矸架型號(hào)為RTD29-2000/02，搭接長(zhǎng)度不小于1 000 mm，間距為500 mm，每排設(shè)1組伸縮式護(hù)幫擋矸架。金屬網(wǎng)為鋼筋網(wǎng)和菱形網(wǎng)。在端頭過(guò)渡支架移架后，首先緊鄰支架搭接擋矸金屬網(wǎng)，然后再架設(shè)伸縮式護(hù)幫擋矸架。擋矸金屬網(wǎng)和伸縮式護(hù)幫擋矸架均位于切縫下方靠近巷道采空區(qū)一側(cè)，與切縫邊緣貼近。其中伸縮式護(hù)幫擋矸架在架設(shè)前要提前做好柱窩，柱窩要求低于巷道底板100 mm。巷幫防護(hù)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5 頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)

圖6 巷幫防護(hù)設(shè)計(jì)

6 切頂卸壓沿空留巷礦壓監(jiān)測(cè)

6.1 爆破孔窺視情況

采用CXK12礦用鉆孔成像儀對(duì)8號(hào)和9號(hào)煤層21801運(yùn)輸巷沿空留巷切縫孔爆破情況進(jìn)行窺視。在項(xiàng)目實(shí)施初期和中期進(jìn)行2次爆破鉆孔窺視。項(xiàng)目實(shí)施初期，分兩次分別對(duì)超前預(yù)裂切縫進(jìn)行窺視。一是在鉆孔裝藥前、爆破后分別進(jìn)行窺視；二是在爆破后在兩個(gè)爆破鉆孔中間補(bǔ)打窺視鉆孔進(jìn)行窺視。補(bǔ)打窺視鉆孔與爆破鉆孔參數(shù)相同，必須位于兩爆破鉆孔連線中間。

以560號(hào)鉆孔為例，窺視孔深度8 m，此孔為爆破孔。560號(hào)鉆孔展開圖見圖7。通過(guò)頂板窺視，可以看出頂板經(jīng)過(guò)放炮后有明顯的裂紋存在，裂縫基本保持連續(xù)，最大裂縫寬度可達(dá)10 mm，絕大部分鉆孔都已出現(xiàn)坍塌。以上情況說(shuō)明目前選用爆破參數(shù)基本能夠?qū)崿F(xiàn)切頂效果。

6.2 測(cè)站觀測(cè)情況

根據(jù)切頂卸壓沿空留巷的留巷距離，架后留巷段共布置9個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站由1套單體柱可縮量、1套巷道表面位移測(cè)點(diǎn)組成。21801運(yùn)輸巷測(cè)站布置如圖8所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，21801留巷段頂板下沉很小，最大值達(dá)到100 mm，沒(méi)有出現(xiàn)底鼓情況，底板淤煤較多，變形量最大的地方主要集中在留巷段水倉(cāng)位置，由于此段頂板跨度大，水倉(cāng)頂板未經(jīng)過(guò)加固處理。巷道變形在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，留巷效果良好。

圖7 560號(hào)鉆孔展開圖

圖8 21801運(yùn)輸巷測(cè)站布置

7 結(jié)論

(1)21801工作面成功沿空留巷1 300 m并成功復(fù)用，通過(guò)礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，所留巷道圍巖控制穩(wěn)定，頂板平均變形量135 mm，兩幫平均變形量350 mm，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用標(biāo)準(zhǔn)。

(2)恒阻大變形錨索支護(hù)強(qiáng)度滿足沿空留巷中對(duì)頂板的控制，有效控制了巷道大變形。頂板精準(zhǔn)預(yù)裂切斷了局部范圍內(nèi)頂板應(yīng)力的傳遞，在巷道上方一定范圍內(nèi)的頂板形成短臂梁結(jié)構(gòu)，使所留巷道處在卸壓區(qū)域，保證了沿空留巷的效果。

(3)完成了留巷及采煤工作面礦壓觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂切縫改變了巷道圍巖應(yīng)力分布，所留巷道處于低壓力區(qū)域，有效降低回采周期壓力，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

(4)21801工作面切頂卸壓沿空留巷的成功試驗(yàn)，有效緩解了工作面采掘接續(xù)緊張的問(wèn)題，多采出煤炭資源12萬(wàn)t，取得直接經(jīng)濟(jì)效益約6 000萬(wàn)元。