切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)在倡源煤業(yè)的應(yīng)用研究

王雙生

（山西介休義棠倡源煤業(yè)有限公司，山西 介休032000）

0 引言

無(wú)煤柱自成巷技術(shù)是一項(xiàng)煤炭工業(yè)領(lǐng)域的革命性技術(shù)，可以從根本上改變目前“一面兩巷”的傳統(tǒng)開(kāi)采方式，通過(guò)切頂卸壓可以實(shí)現(xiàn)“一面一巷”的回采布置，不但能夠減少掘巷掘進(jìn)工程量，保證礦井的正常采掘部署，而且對(duì)于礦井增加資源回收，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益也有著重要的意義，目前該技術(shù)已逐步在全國(guó)各類(lèi)煤礦當(dāng)中取得成功應(yīng)用。本文針對(duì)倡源煤業(yè)9號(hào)煤層實(shí)際地質(zhì)條件并結(jié)合礦井目前支護(hù)情況，提出無(wú)煤柱自成巷技術(shù)應(yīng)用具體方案。

1 倡源煤業(yè)090701工作面概況

1.1 礦井概況

倡源煤業(yè)地處山西省介休市，生產(chǎn)規(guī)模0.9 Mt/a，井田面積4.0 787 km2，交通較為方便。采用立井開(kāi)拓方式，布置有3個(gè)井筒，開(kāi)采9、10、11號(hào)煤層，屬于低瓦斯礦井，水文地質(zhì)類(lèi)型中等。

1.2 工作面概況

工作面位于井田七采區(qū)，南部為南翼七采區(qū)回風(fēng)巷，西部為未采動(dòng)區(qū)，北部、東部為礦界。工作面覆蓋層厚度583～650 m，平均蓋山厚度620 m，地面無(wú)建筑物與構(gòu)筑物。工作面走向長(zhǎng)度650 m，工作面長(zhǎng)度115.5 m，動(dòng)用儲(chǔ)量265 778 t，回采儲(chǔ)量252 489 t。

工作面開(kāi)采9號(hào)煤層，煤層厚度2.4～2.6 m，平均2.5 m；煤層傾角0°～25°，平均12°；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在中上部夾一層厚度0.05～0.2 m的泥巖；容重1.5 t/m3；煤種屬于焦煤。直接頂巖性為平均厚度2.68 m的致密堅(jiān)硬石灰?guī)r，直接底巖性為平均厚度4 m的塊狀構(gòu)造粉砂巖。

根據(jù)2條順槽掘進(jìn)情況，工作面已揭露F701-1、F701-2、F701-3 3條東西向發(fā)育的正斷層，落差分別為1.4～2.2、8～17、2.5 m，除F701-2斷層對(duì)回采影響程度較大外，其他斷層對(duì)回采影響程度均較小。

工作面底板標(biāo)高范圍為+774～+840 m，奧灰水水位標(biāo)高約+923.5 m，該工作面屬帶壓開(kāi)采范疇，煤層底板帶壓約1.5 MPa。經(jīng)物探、鉆探探測(cè)及驗(yàn)證，工作面范圍內(nèi)無(wú)明顯水害隱患存在，但仍必須在工作面回采過(guò)程中加強(qiáng)水文地質(zhì)觀測(cè)，尤其在過(guò)構(gòu)造時(shí)要關(guān)注異常情況，注意新出現(xiàn)的突水點(diǎn)，維護(hù)好排水系統(tǒng)，保障其正常可靠運(yùn)行。

1.3 原有巷道支護(hù)形式

090701工作面2條順槽均為矩形斷面，掘斷面尺寸為4 000 mm×2 600 mm（寬×高），采用錨網(wǎng)索的支護(hù)形式，支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖1。

2 無(wú)煤柱自成巷方案設(shè)計(jì)

090701工作面先期采用原有支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行回采，預(yù)留運(yùn)輸順槽為下一工作面090703工作面使用。本次無(wú)煤柱自成巷方案采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護(hù)+巷道臨時(shí)支護(hù)”為主，利用巷道頂板預(yù)裂切縫爆破方式，將巷道頂板與回采工作面的應(yīng)力傳遞局部切斷，以保證預(yù)留巷道頂板的整體性和穩(wěn)定性。利用恒阻大變形錨索對(duì)預(yù)留巷道圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以發(fā)揮巷道頂板自身承載能力進(jìn)而控制頂板下沉。再根據(jù)工作面回采過(guò)程當(dāng)中，預(yù)留巷道不同位置所受動(dòng)壓影響情況的不同制定相應(yīng)的臨時(shí)支護(hù)方式。具體方案設(shè)計(jì)如圖1所示：

圖1 090701工作面運(yùn)輸順槽巷道斷面支護(hù)示意圖

2.1 恒阻大變形錨索設(shè)計(jì)

恒阻大變形錨索垂直巷道頂板打設(shè)，布置2列，第1列距切縫線600 mm，排距1 000 mm；第2列布置于巷道頂板中線，排距2 000 mm。采用規(guī)格為φ21.8 mm×9 300 mm的恒阻大變形錨索，恒阻器長(zhǎng)度為500 mm，外徑為79 mm，允許的最大變形量為350 mm，恒阻值30±2 t，預(yù)緊力≥28 t，配合的托盤(pán)規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，中間擴(kuò)孔直徑為100 mm±1 mm。切縫側(cè)恒阻錨索每3根恒阻錨索使用梯子鋼筋梁進(jìn)行連接，恒阻錨索支護(hù)設(shè)計(jì)方案如圖2所示，鋼筋梯子梁規(guī)格如圖3所示。

圖2 恒阻錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

圖3 梯子梁規(guī)格圖

2.2 頂板預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)

頂板預(yù)裂切縫采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，利用巖體抗壓怕拉的特性，使巖體可以按照設(shè)定方向被拉裂成型。預(yù)裂切縫深度可由式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：HC為采高，單位為m；ΔH1為巷道頂板下沉量，單位為m；ΔH2為巷道底板底臌量，單位為m；k為巷道頂板碎脹系數(shù)，范圍為1.3～1.5。

根據(jù)090701運(yùn)輸順槽掘進(jìn)情況及頂板經(jīng)驗(yàn)碎脹系數(shù)，取1.4，平均采高取2.5 m，不考慮巷道頂?shù)装遄冃?，代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算得出切縫深度為7 m。

切縫孔距巷道上幫設(shè)計(jì)為100 mm，向回采幫傾斜15°打設(shè)，間距500 m。雙向聚能管的外徑、內(nèi)徑分別為42、36.5 mm，長(zhǎng)度為1 500 mm。配合煤礦需用三級(jí)乳化炸藥，藥卷規(guī)格φ35 mm×300 mm，采用炮泥封孔，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況及時(shí)調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量。

2.3 巷道臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

在工作面回采過(guò)程當(dāng)中，對(duì)預(yù)留的090701運(yùn)輸順槽不同位置的采動(dòng)影響也有所不同。根據(jù)其他礦井無(wú)煤柱自成巷技術(shù)應(yīng)用情況并結(jié)合倡源煤業(yè)以往現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖4所示將工作面回采過(guò)程中預(yù)留的090701運(yùn)輸順槽劃分為3個(gè)不同區(qū)域。

圖4 090701運(yùn)輸順槽隨采3個(gè)分區(qū)示意圖

1）超前支護(hù)區(qū)（工作面超前20 m范圍內(nèi)）。2條順槽均使用DW28型單體液壓支柱配合規(guī)格為2.7 m的π型梁，按照梁間距1 000 mm，沿巷中、順巷道方向支設(shè)2排，前一道與后一道梁端間距不大于300 mm，在頂板來(lái)壓較大、頂板破碎等情況下采取加密支護(hù)的方式；U型鋼、工字鋼支護(hù)段巷道，在U型鋼、工字鋼梁下中間兩側(cè)，間距1 m打單體液壓支柱，單體液壓支柱要使用自制防倒繩與巷道頂部鐵絲網(wǎng)或U型鋼、工字鋼、π型梁連接，單體液壓支柱初撐力不小于90 kN。

2）架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)（架后0～200 m的范圍）。該區(qū)域所受工作面采動(dòng)影響較大，相應(yīng)地巷道頂板所受應(yīng)力也較大。綜合考慮礦井實(shí)際情況，采用單體液壓支柱+π型梁+U型鋼+鋼筋網(wǎng)的臨時(shí)支護(hù)方式。其中，巷道頂板采用單體支柱和π型梁的支護(hù)方式，每排布置3個(gè)單體，間距、排距均為1 000 mm，初撐力≥90 kN；回采幫采用可縮U型鋼+金屬網(wǎng)+風(fēng)筒布的擋矸支護(hù)，U型鋼布置于切縫位置，間距500 mm，架后巷道臨時(shí)支護(hù)斷面如圖5所示，回采幫擋矸支護(hù)側(cè)視圖如6所示。

圖5 超后臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)斷面圖

圖6 回采幫擋矸支護(hù)側(cè)視圖

3）成巷穩(wěn)定區(qū)（架后200 m之后）。該區(qū)域所受工作面采動(dòng)影響較小，巷道圍巖活動(dòng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，此趨于內(nèi)將用于臨時(shí)支護(hù)的單體液壓支柱撤出，僅保留U型鋼+金筋網(wǎng)+風(fēng)筒布的擋矸支護(hù)，以防止采空區(qū)漏風(fēng)情況的發(fā)生。

3 施工過(guò)程設(shè)計(jì)

090701工作面運(yùn)輸順槽無(wú)煤柱自成巷技術(shù)應(yīng)用的施工過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟：

1）恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)：根據(jù)上述具體方案的設(shè)計(jì)參數(shù)施工恒阻錨索和梯子梁用于加固預(yù)留巷道頂板圍巖。

2）頂板預(yù)裂切縫施工：在恒阻錨索超前加固巷道20 m以上的條件下，按照上述具體方案的設(shè)計(jì)參數(shù)施工頂板預(yù)裂爆破鉆孔，并進(jìn)行裝藥實(shí)施頂板預(yù)裂爆破。

3）架后擋矸支護(hù)：在工作面回采過(guò)程當(dāng)中，及時(shí)在端頭支架前方（后方）進(jìn)行擋矸支護(hù)，按照“一排3柱”的方式進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，第1列單體距切縫線600 mm。巷道回采幫側(cè)鋪鋼筋網(wǎng)并架設(shè)U型鋼，采用木楔將鋼絲網(wǎng)與U型鋼固定牢固，鋼筋網(wǎng)下部要埋入底板，鋼筋網(wǎng)上部要與頂板鋼筋網(wǎng)搭接；單體、U型鋼均安裝柱靴，現(xiàn)場(chǎng)必要時(shí)要在頂板增打木楔，以防止其發(fā)生滑動(dòng)。

4）噴漿。在巷道頂板充分垮落并處于穩(wěn)定后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要采用噴漿的方式對(duì)垮落不充分位置進(jìn)行填充，以使整個(gè)預(yù)留巷道可以滿(mǎn)足下一個(gè)工作面的使用需求，并且通過(guò)噴漿的方式還可以隔絕采空區(qū)，防止自然發(fā)火情況的發(fā)生。

4 無(wú)煤柱自成巷技術(shù)應(yīng)用效果

在無(wú)煤柱自成巷應(yīng)用當(dāng)中，090701工作面運(yùn)輸順槽巷道圍巖穩(wěn)定，可以滿(mǎn)足下一工作面的使用需要。留巷成本約6 000元/m，掘巷成本約7 000元/m，留巷的經(jīng)濟(jì)效益為65萬(wàn)元。按照原設(shè)計(jì)留設(shè)煤柱寬度20 m，結(jié)合目前噸煤價(jià)格500元/t進(jìn)行計(jì)算，留巷回收煤炭資源可多創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益2 437.5萬(wàn)元?？傮w上，采用無(wú)煤柱自成巷技術(shù)，僅090701工作面較不留巷方案可多產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益2 502.5萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

倡源煤業(yè)090701工作面無(wú)煤柱自成巷技術(shù)的成功應(yīng)用，不但能夠減少掘巷掘進(jìn)工程量，保證礦井的正常采掘部署，而且對(duì)于礦井增加資源回收，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益也有著重要的意義，可推廣應(yīng)用到該礦井其他工作面當(dāng)中。此外，無(wú)煤柱自成巷技術(shù)在帶壓開(kāi)采大采高工作面的成功應(yīng)用，對(duì)于擴(kuò)展無(wú)煤柱自成巷技術(shù)的應(yīng)用范圍也有積極的理論實(shí)踐價(jià)值。