黃陵一號(hào)煤礦沿空留巷工程技術(shù)研究與試驗(yàn)

陳 博

（黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦，陜西 延安727307）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化水平的提高，掘進(jìn)與采面速度越來(lái)越不匹配，出現(xiàn)生產(chǎn)接續(xù)緊張、安全管理難度大等問(wèn)題，因此，推廣應(yīng)用科學(xué)高效的開(kāi)采技術(shù)是煤礦未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。其中沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)與傳統(tǒng)的“121”開(kāi)采模式相比較能夠減少巷道的掘進(jìn)作業(yè)，提高礦井生產(chǎn)效率、降低萬(wàn)噸掘進(jìn)率、提高資源回收率、延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，徹底解決因煤柱留設(shè)帶來(lái)的資源浪費(fèi)、生產(chǎn)接續(xù)緊張、災(zāi)害治理時(shí)間不足等重大難題，實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)，因此，實(shí)施沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采對(duì)實(shí)現(xiàn)礦井高質(zhì)量發(fā)展意義重大。本文以黃陵礦業(yè)公司一號(hào)煤礦1006工作面沿空留巷工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)行研究，從留機(jī)理、巷道支護(hù)、爆破預(yù)裂、尾巷擋矸留巷等關(guān)鍵技術(shù)入手，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程中巷道的礦壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行分期，確定了適合于一號(hào)煤礦的沿空留巷技術(shù)。

1 工作面概況

黃陵礦業(yè)一號(hào)煤礦1006工作面可采長(zhǎng)度1 981 m，切眼長(zhǎng)度235 m。煤層厚度2.0～2.4 m，平均厚度約2.2 m，煤層傾角為1°～3°。工作面沒(méi)有偽頂，其直接頂主要為粉砂巖；中夾薄層砂質(zhì)泥巖，其成分以石英為主，鈣質(zhì)膠結(jié)；中夾薄層砂質(zhì)泥巖，其中含黃鐵礦結(jié)核與植物化石碎片，并夾雜有薄層粉砂巖，水平層理相對(duì)較發(fā)育，厚度為5.9～10 m，平均厚度為8.2 m；老頂為細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖的互層，平均厚度2.0 m；直接底為灰綠色泥巖，塊狀，含鉛土質(zhì)，平均厚度為1.1 m，遇水膨脹，易底鼓。

黃陵一號(hào)煤礦1006綜采工作面采用的沿空留巷技術(shù)，是基于何滿朝院士“切頂短壁梁理論”中闡述的切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)所創(chuàng)建的[1]。該技術(shù)原理主要是通過(guò)強(qiáng)化支護(hù)預(yù)留巷道頂板，并爆破采空區(qū)頂板，讓采空區(qū)上覆巖層與巷道頂板上覆巖層間形成切縫結(jié)構(gòu)面，相互不能傳遞應(yīng)力，讓預(yù)留巷道頂板實(shí)際受力結(jié)構(gòu)狀態(tài)從長(zhǎng)臂梁變?yōu)槎瘫哿?，在基于短臂梁具有支承壓力相?duì)較小的特點(diǎn)，進(jìn)而更好的控制巷道頂板，在此過(guò)程中，采空區(qū)切縫高度范圍內(nèi)巖層，在來(lái)壓作用的影響下，會(huì)沿切縫面慢慢垮落，便可產(chǎn)生巷幫，受主動(dòng)切頂一方面會(huì)使基本頂?shù)臄_動(dòng)力變?nèi)?，另一方面有助于減弱巷道周期來(lái)壓頻次的影響，可更安全的達(dá)到沿空留巷無(wú)煤柱自動(dòng)成巷的目的。切頂卸壓機(jī)理示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 切頂卸壓機(jī)理示意圖

2 沿空留巷工藝流程

2.1 預(yù)留巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

在沿空留巷前必須對(duì)頂板施工大變形錨索對(duì)留巷順槽頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。1006綜采工作面留巷段補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)形式如下：頂部支護(hù)采用錨索梁+錨桿+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的形式，可選用T140型鋼帶來(lái)制作錨索梁，所用的正常支護(hù)錨索梁長(zhǎng)度控制在4 800 mm，采用一梁四索式結(jié)構(gòu)，排距控制在800 mm，可選用φ17.8 mm×8 300 mm與φ17.8 mm×10 300 mm的鋼絞線進(jìn)行交替支護(hù)，各孔所消耗的樹(shù)脂為MS K2370樹(shù)脂3節(jié)，讓壓錨索支護(hù)2列：第一列與巷道主幫相距1 000 mm，選用T180型鋼帶制作錨索梁，錨索梁長(zhǎng)3 600 m，采用一梁三索式結(jié)構(gòu)，排間距控制在800 mm，選用φ21.8 mm×10 300 mm規(guī)格的鋼絞線，每孔消耗MS K2370樹(shù)脂3節(jié)，并合理配套應(yīng)用大變形鎖具；第二列與巷道主幫相距2 600 mm，選用16號(hào)型槽鋼制作錨索梁，梁長(zhǎng)400 m，采用一梁一索式結(jié)構(gòu)，排間距控制在1 600 mm，選用φ21.8 mm×10 300mm型鋼絞線，每孔消耗MS K2370樹(shù)脂3節(jié)，配套使用大變形鎖具。1006綜采工作面沿空留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 1006綜采工作面沿空留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖

2.2 預(yù)留巷道爆破預(yù)裂

2.2.1 切頂預(yù)裂鉆孔高度設(shè)計(jì)

可采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)預(yù)裂爆破頂板，讓其產(chǎn)生切縫，該爆破技術(shù)主要是通過(guò)在炮孔中裝設(shè)雙向聚能裝置來(lái)裝藥，讓聚能方向朝著需斷裂的方向作用；炸藥發(fā)生起爆后，所產(chǎn)生的沖擊波與應(yīng)力波會(huì)沿著事先布設(shè)的方向進(jìn)行集中釋放，最終會(huì)在炮孔壁上產(chǎn)生與聚能孔方向相同的徑向初始裂縫；起爆后產(chǎn)生的爆生氣體會(huì)迅速向徑向初始裂縫涌入，這樣集中的拉應(yīng)力會(huì)沿設(shè)定方向，最終使巖體發(fā)生斷裂，讓頂板實(shí)現(xiàn)預(yù)裂切縫。

本次沿空留巷工業(yè)試驗(yàn)，頂板預(yù)裂切縫孔采用錨桿鉆機(jī)施工，頂板預(yù)裂切縫孔深度（Hf）臨界設(shè)計(jì)計(jì)算式： Hf=（Hm-ΔH1-ΔH2)/（K-1）

式中：Hm為表工作面實(shí)際采高，單位m，可取2.2 m；ΔH1為頂板下沉量，單位m，可取0.1 m；ΔH2為底鼓量，單位m，可取0.1 m；K為碎脹系數(shù)，通常在1.3～1.5之間；可取1.3。

通過(guò)計(jì)算，可得：Hf=6.7 m，設(shè)計(jì)取7 m。

2.2.2 切頂預(yù)裂裝藥設(shè)計(jì)

為保證爆破預(yù)裂切縫參數(shù)科學(xué)合理、切縫效果最佳，在正式試驗(yàn)留巷前須提前進(jìn)行切頂留巷試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)切縫孔參數(shù)、裝藥量、爆破參數(shù)等進(jìn)行修正。在1006運(yùn)順試驗(yàn)留巷前60 m范圍內(nèi)進(jìn)行單孔、間隔、連孔爆破試驗(yàn)，詳見(jiàn)圖3、圖4。爆破后通過(guò)C XK12-A礦用本安型鉆孔成像儀觀測(cè)切縫情況，試驗(yàn)的3種類(lèi)型如下：

圖3 炮孔參數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

圖4 切縫爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

1）裝藥量7卷，裝藥結(jié)構(gòu)（3+2+2），采用單孔、間隔或連孔爆破，試驗(yàn)長(zhǎng)度5 m。

2）裝藥量8卷，裝藥結(jié)構(gòu)（3+3+2），采用單孔、間隔或連孔爆破，試驗(yàn)長(zhǎng)度5 m。

3）裝藥量9卷，裝藥結(jié)構(gòu)（3+3+2+1），采用單孔、間隔或連孔爆破，試驗(yàn)長(zhǎng)度5 m。

通過(guò)在1006工作面進(jìn)行3類(lèi)不同的爆破試驗(yàn)，根據(jù)爆破預(yù)裂效果最終確定裝藥結(jié)構(gòu)為3+3+2、鉆孔間距400 mm的爆破參數(shù)。

2.2.3 預(yù)裂巷道尾巷擋矸設(shè)計(jì)

1006工作面預(yù)留巷道尾巷切縫側(cè)支護(hù)采用“U型鋼+金屬網(wǎng)+噴砼”的方式進(jìn)行擋矸支護(hù)，掛設(shè)φ6 mm金屬網(wǎng)，網(wǎng)片搭接寬度200 mm，采用U29型鋼，間距300 mm，距巷道原主幫400 mm支護(hù)，噴C20砼，厚度150 mm，一次噴厚100 mm，隨留隨噴，二次噴厚50 mm，滯后一次噴砼100 m，封閉采空區(qū)應(yīng)力分布過(guò)程中產(chǎn)生的一次噴砼裂隙。

3 1006工作面沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

3.1 工作面周期來(lái)壓特性

工作面從2020年4月1日起進(jìn)行正式留巷，從2020年4月2日開(kāi)始進(jìn)行安裝并調(diào)試礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在此過(guò)程中，選取了1006工作面2020年4月2日—4月12日間最有代表性的3號(hào)與12號(hào)壓力分站，各自所顯示的液壓支架工作阻力曲線的分析得出：1006工作面來(lái)壓步距約為24.5 m，來(lái)壓時(shí)工作面中部應(yīng)力峰值最大，約43.5 MPa。3、12號(hào)壓力分站液壓支架工作阻力對(duì)比分析圖見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 3號(hào)壓力分站右柱支架壓力曲線

圖6 12號(hào)壓力分站右柱支架壓力曲線

3.2 巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

3.2.1 巷道頂板下沉變形情況

在生產(chǎn)中，可借助巷道頂板下沉變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)巷道頂板巖層的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行判定，進(jìn)而判斷巷道進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)與否，提供較為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為留巷段臨時(shí)支護(hù)的回撤作業(yè)作參考。為進(jìn)一步了解1006工作面留巷巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，可通過(guò)分析巷道頂板下沉、底鼓變形情況，它們各自與回采工作面距離的關(guān)系來(lái)確定，具體可在與工作面留巷相距300 m的范圍內(nèi)，每隔30 m布設(shè)1個(gè)巷道變形監(jiān)測(cè)站，共布置10個(gè)，分別在留巷的10、40、70、100、130、160、190、220、250、280 m處切縫側(cè)，與U型鋼支護(hù)處相距約400 mm，測(cè)站編號(hào)分別為Q FC1、Q FC2、Q FC3、Q FC4、Q FC5、Q FC6、Q FC7、Q FC8、Q FC9、Q FC10。與此同時(shí)，在工作面留巷300 m的范圍內(nèi)，每隔20 m布設(shè)1個(gè)人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別在留巷的0、20、40、60、80、100、120、140、160、180、200、220、240、260、280 m處。頂板下沉變形規(guī)律分析：在工作面實(shí)際推進(jìn)作業(yè)中，圖7、8分別為測(cè)站Q FC1、Q FC7兩處的巷道頂板下沉變形監(jiān)測(cè)曲線。

圖7 測(cè)站Q FC1巷道頂板下沉變形曲線

通過(guò)圖7、圖8可知，1006工作面運(yùn)輸巷在留巷90～133 m之間的巷道頂板下沉曲線相對(duì)較陡峭，說(shuō)明該段頂板不僅下沉速度相對(duì)較快，而且下沉量也相對(duì)較大；在工作面推過(guò)130 m時(shí)，再觀察巷道頂板下沉情況，發(fā)現(xiàn)頂板下沉量約為300 mm，為該處總下沉量的93%；而此后頂板的下沉速度出現(xiàn)明顯減緩的趨勢(shì)；在工作面推過(guò)150 m后，巷道頂板的下沉變形此時(shí)已基本完成，下沉量約320 mm，巷道頂板基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)再發(fā)生大的下沉。

圖8 測(cè)站Q FC3巷道頂板下沉變形曲線

3.2.2 巷道底鼓變形規(guī)律分析

在工作面推進(jìn)過(guò)程中，測(cè)站Q FC1和Q FC7處巷道底鼓監(jiān)測(cè)曲線分別如圖9、圖10所示。

通過(guò)圖9與圖10可知，1006工作面運(yùn)輸巷留巷在60～130 m距離內(nèi)巷道頂板下沉變形曲線相對(duì)較陡，說(shuō)明該時(shí)段底鼓量加快；當(dāng)工作面推過(guò)130 m距離后，該處巷道底鼓量大約為350 mm，該道底鼓量約占該處總底鼓量的90%左右；在此之后巷道底鼓速度顯著減緩；在工作面推過(guò)約150 m的距離后底鼓變形已基本完成，下沉量約390 mm，表明此時(shí)該處巷道已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道也相對(duì)較穩(wěn)定。

圖9 測(cè)站Q FC1巷道底鼓變化曲線

圖10 測(cè)站Q FC1巷道底鼓變化變形曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在1006工作面沿空留巷現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及施工評(píng)價(jià)等多種手段，利用切頂卸壓自動(dòng)成巷頂板巖層結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，基于雙向聚能張拉成型爆破技術(shù)原理及其特點(diǎn)，確定了工作面沿空留巷雙向聚能爆破切頂關(guān)鍵參數(shù)；基于大變形錨索支護(hù)技術(shù)原理及其力學(xué)特性，確定了工作面沿空留巷大變形錨索支護(hù)參數(shù)；基于沿空留巷切縫側(cè)巷幫受力與變形特征，確定了一號(hào)煤礦1006工作面沿空留巷切縫側(cè)巷幫支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)形式；通過(guò)對(duì)工作面沿空留巷工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的分析，得出了工作面初次來(lái)壓與周期來(lái)壓特征。該技術(shù)的理論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究為礦井沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。