薄煤層切頂卸壓爆破技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

楊迎松 劉洪洋 何成亮 成旺 李濤 吳孝紅

摘要：在低透氣性高瓦斯煤層群開采中，將薄煤層作為保護(hù)層進(jìn)行開采，可實現(xiàn)低透氣性高瓦斯煤層群的卸壓增透，有利于煤層卸壓瓦斯的預(yù)先釋放，提高高瓦斯煤層群的瓦斯預(yù)抽效果，既保證保護(hù)層開采安全，也保證被保護(hù)層的安全生產(chǎn)。若放棄對薄煤層的開采，浪費了大量寶貴的煤炭資源，使得礦井的采出率低。常規(guī)的綜采工作面開采需要留設(shè)區(qū)段煤柱，在區(qū)段煤柱下伏的鄰近煤層群中將形成應(yīng)力集中及卸壓盲區(qū)，增加了下伏鄰近煤層群開采的安全隱患，所以有必要對薄煤層保護(hù)層無煤柱卸壓開采技術(shù)進(jìn)行研究，文章分析了無煤柱沿空留巷和切頂沿空留巷的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：高瓦斯;煤層群;沿空留巷;切頂卸壓

0引言

我國薄煤層（煤層厚度小于1.3m）資源分布廣泛，且煤質(zhì)較好，在已探明礦區(qū)中，全國84.2%的礦區(qū)均有薄煤層分布，儲量占全國煤炭儲量的20%以上，在一些特殊省份的薄煤層比重更大，由于薄煤層開采難度大、投入產(chǎn)出比低等原因，產(chǎn)量只占總產(chǎn)量的10.4%，可見產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于儲量所占的比例，并且產(chǎn)量的比重還有下降趨勢。隨著煤炭資源開采強(qiáng)度的增加，基于煤炭科學(xué)開采的理念，為了做好煤炭資源的可持續(xù)性發(fā)展工作，近年來國家及煤炭企業(yè)對薄煤層開采已經(jīng)逐漸重視。在煤層群中，多數(shù)礦區(qū)都為薄厚煤層共存煤田，礦井為了追求高產(chǎn)和高利潤的目標(biāo)，優(yōu)先開采中厚煤層，對薄煤層進(jìn)行擱置，使薄煤層大量積壓未采，甚至有些礦井實施采厚丟薄的開采方式，造成了薄煤層賦存煤炭采出率低的現(xiàn)象，不僅嚴(yán)重浪費了煤炭資源，而且使礦井存在安全生產(chǎn)隱患。

目前，貴州煤礦大多以高瓦斯礦井煤層群開采為主，且高瓦斯礦井占95%以上，其中357多對礦井為煤與瓦斯突出礦井?，F(xiàn)有的瓦斯礦井主要特點是開采深度大、瓦斯壓力大、瓦斯含量高，具有低透氣性、可壓密性和易流變性“三性”特征。我國大部分高瓦斯礦區(qū)都為低透氣煤層，貴州省水城縣大河礦井為例，煤層透氣性系數(shù)僅為0.001～0.008?m2/（MPa2·d），煤層瓦斯不易在采前預(yù)抽，但在采掘過程中煤層瓦斯的放散量大、放散速度快，在一定條件下易發(fā)生煤與瓦斯突出，且突出規(guī)模大，瓦斯涌出或煤與瓦斯突出控制不當(dāng)將可能導(dǎo)致瓦斯爆炸事故的發(fā)生，從而造成更大的災(zāi)難。低透氣性煤層，致使煤層瓦斯抽采的效果較差。

保護(hù)層是指為消除鄰近煤層的突出危險而先開采的煤層或巖層。開采保護(hù)層是迄今防治煤與瓦斯突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的根本措施。我國《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“對于有突出危險煤層，應(yīng)采取開采保護(hù)層或預(yù)抽煤層瓦斯等區(qū)域性防治措施”。薄煤層作為保護(hù)層進(jìn)行開采能夠達(dá)到理想的卸壓效果，同時薄煤層的開采本身安全性也要高于中厚煤層，在全國治理瓦斯最先進(jìn)的淮南礦業(yè)集團(tuán)公司于2006年3月決定：“加大薄煤層開采力度，凡是0.8m以上，作為保護(hù)層的煤層必須開采”。因此薄煤層作為保護(hù)層開采成為治理煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害的重要手段之一。

在貴州某些礦區(qū)進(jìn)行的無煤柱沿空留巷的實踐中發(fā)現(xiàn)，采用目前的巷旁砌筑料石或留煤墩的沿空留巷方式已經(jīng)越來越多出現(xiàn)巷旁媒體及砌筑塊體壓裂、外鼓等大變形，下幫片幫量大，范圍廣，底臌嚴(yán)重等嚴(yán)重影響沿空巷道二次復(fù)用的非線性大變形現(xiàn)象，目前的巷旁留煤墩及巷旁砌筑料石的沿空留巷方式已經(jīng)不能滿足該水平煤層安全高效、經(jīng)濟(jì)開采的需要。因此，提出了薄煤層切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采及全面卸壓技術(shù)。該技術(shù)能夠消除鄰近工作面煤體上方應(yīng)力集中的作用，具有減小采掘比，提高生產(chǎn)效率，減少煤炭資源浪費，避免因留設(shè)區(qū)段煤柱、煤墩及巷旁砌筑料石而造成的煤與瓦斯混合突出、底臌突出、巷道變形嚴(yán)重、需要二次返修等現(xiàn)象，屬于一種安全高效經(jīng)濟(jì)科學(xué)的開采新技術(shù)。

盡管關(guān)于該項目技術(shù)理論的研究取得了不少研究成果，但這些研究成果都表現(xiàn)為單一進(jìn)行薄煤層開采、保護(hù)層卸壓開采、切頂成巷無煤柱沿空留巷技術(shù)、瓦斯抽采的研究，而對于高瓦斯突出礦井薄煤層保護(hù)層切頂成巷無煤柱開采及全面卸壓技術(shù)的研究較少，還需深入開展研究工作，并提煉出這一類問題共性的具有較大指導(dǎo)意義的成果，具有重要的理論意義和學(xué)術(shù)價值，同時具有極其重要的工程應(yīng)用價值和社會意義。

1沿空留巷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

沿空留巷國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀自上世紀(jì)60年代，沿空留巷技術(shù)問世以來，實踐證明其可有效避免瓦斯、沖擊地壓等相關(guān)事故的發(fā)生。隨著淺部煤層的不斷開采，淺部煤層的儲量已不能滿足現(xiàn)在的發(fā)展要求，逐漸煤炭資源開采走向深部，不得不面臨高地壓，高地溫的問題，沿空留巷技術(shù)難以滿足要求。由此，國內(nèi)外為了沿空留巷能夠更好的適應(yīng)現(xiàn)在的發(fā)展，學(xué)者們對此作了大量的研究工作。程志恒等對下位沿空留巷圍巖應(yīng)力進(jìn)行研究分析，得出上位煤層殘留煤柱下出現(xiàn)應(yīng)力增高、上位煤層采空區(qū)下出現(xiàn)應(yīng)力降低的結(jié)論，為合理布置沿空留巷提供理論基礎(chǔ)，有利于延長沿空留巷在下位煤層中的服務(wù)年限。李勝等創(chuàng)新性的將超靜定結(jié)構(gòu)和靜定結(jié)構(gòu)結(jié)合起來對綜放工作面沿空留巷支護(hù)阻力進(jìn)行研究，構(gòu)建巷旁支護(hù)阻力力學(xué)模型，分別對頂板中有無關(guān)鍵層進(jìn)行討論，并推導(dǎo)出相應(yīng)的切頂阻力計算公式。寧建國等提出了上軟下硬的支護(hù)體，該支護(hù)體在早期表現(xiàn)出可縮性，有效釋放頂板壓力，而且在該支護(hù)體后期還有一定支撐能力。

韓昌良等探討了砌塊式墻體的破壞過程，研究其本構(gòu)關(guān)系，并推導(dǎo)計算砌塊式墻體的支護(hù)阻力的相關(guān)公式，還指出相應(yīng)的承載力、強(qiáng)度匹配原則以整套的設(shè)計流程。殷偉等為預(yù)測充填采煤沿空留巷頂板下沉量，基于現(xiàn)實情況，考慮頂板下沉量的意向因素，通過實例驗證了其可行性與實用性。武精科等基于深井沿空留巷對頂板變形特征進(jìn)行探討，解釋頂板破壞原因主要是支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱。針對該原因提出具有高預(yù)緊力、高強(qiáng)度和高剛度特征的“多支護(hù)結(jié)構(gòu)”有效緩解頂板變形，實踐中也取得了很好的頂板控制效果，趙一鳴等通過理論分析來確定合理懸臂長度，利用圖表直觀展現(xiàn)懸臂20m內(nèi)，充填體載荷呈線性增長，達(dá)到20m后，懸臂觸底載荷可得到緩解?；诘V壓顯現(xiàn)特征，提出超前工作面頂板預(yù)裂爆破放壓與留巷采空區(qū)側(cè)切頂卸壓結(jié)合的圍巖優(yōu)化控制方法，在現(xiàn)場取得了理想的效果。武精科等以實際工作面情況為基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)值模型，并通過數(shù)值模擬軟件分析圍巖變形演化過程，最后提出優(yōu)化圍巖結(jié)構(gòu)的煤幫分段半巖體聯(lián)合支護(hù)、巷旁分區(qū)支護(hù)和巷內(nèi)分段輔助支護(hù)的支護(hù)方案。

2切頂沿空留巷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

以往留巷技術(shù)難以確定留巷的穩(wěn)定性，切頂卸壓的出現(xiàn)，通過對工作面前方頂板預(yù)裂和對采空區(qū)側(cè)切頂來有效控頂，可有效降低留巷的支護(hù)要求，且大大提高留巷的服務(wù)年限。國內(nèi)外對切頂卸壓技術(shù)能適應(yīng)各類礦井，對切頂相關(guān)參數(shù)做了大量研究，陳勇等嘗試將導(dǎo)向孔（空孔）應(yīng)用于切頂卸壓技術(shù)，基于淺孔爆破切頂卸壓沿空留巷作用機(jī)理，并利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，總結(jié)了導(dǎo)向孔可以產(chǎn)生更多的自由面，應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，擴(kuò)大裂隙區(qū)的范圍，從而提高裂隙貫通率和炸藥能量利用率，頂板垮落更加簡單容易，在實際應(yīng)用中也達(dá)到了預(yù)期效果，劉衍利等針對某礦薄煤層沿空留巷巷道變形嚴(yán)重的問題，提出雙向聚能護(hù)壁爆破的切頂卸壓爆破技術(shù)，使得更加安全高效的一次成巷。通過實際情況與實驗結(jié)合來計算確定合理炮孔間距為0.5m，裝藥量應(yīng)小于1kg/孔和炮孔深度為4m等相關(guān)參數(shù)，并指出對應(yīng)的支護(hù)理論。湯建泉等為合理設(shè)計哈拉溝煤礦切頂卸壓沿空留巷，結(jié)合實際情況與數(shù)值模擬結(jié)果，指出合理切頂高度為6m，合理切頂角度為10°及合理切頂孔間距為0.6m，在實際應(yīng)用中取得了很好的效果。湯朝均等為解決高瓦斯煤層群中部煤層所面臨的問題，指出應(yīng)用切頂卸壓沿空留巷可以對頂板有效放壓，且形成“h”型通風(fēng)系統(tǒng)可有效緩解瓦斯積聚。通過實驗?zāi)M確定該地質(zhì)條件下合力切頂孔間距為0.5m等重要參數(shù)。鑒于該礦對通風(fēng)的要求，提出在支架中部搭設(shè)擋風(fēng)簾來降低漏風(fēng)率和移架前撒石灰來防滅火的通風(fēng)管理舉措。楊曉杰等為探討切頂卸壓成巷技術(shù)在某礦大埋深破碎頂板條件下的可行性，從地質(zhì)狀況入手，估算周期來壓的應(yīng)力峰值，從而確定合理巷內(nèi)和巷旁支護(hù)方案，指出爆破前后頂板都需加強(qiáng)支護(hù)來提高其穩(wěn)定性;工作面推進(jìn)過程中，留巷內(nèi)支承壓力也在不斷地變化，需考慮頂板、擋矸的實際情況來移動加強(qiáng)支護(hù)。王建文等將沿空留巷劃分為成巷穩(wěn)定區(qū)和動壓影響區(qū)。利用彈性力學(xué)理論與數(shù)值模擬，分析破裂發(fā)育機(jī)理并推導(dǎo)出破裂判據(jù)，指出加大臨時支護(hù)的范圍、增大主動支護(hù)的強(qiáng)度和優(yōu)化切頂參數(shù)等控制裂隙發(fā)育舉措。朱珍等從切頂卸壓沿空留巷技術(shù)工藝來分析碎石巷幫形成過程，針對頂板巖層運動規(guī)律指出關(guān)鍵塊B最終形成以實煤體和矸石壓實結(jié)構(gòu)體支撐的穩(wěn)定大結(jié)構(gòu)，且將矸石運動過程劃分為切頂破斷后的快速垮落階段和垮落完成的緩慢壓實階段。依據(jù)圍巖變形規(guī)律和矸石與支護(hù)體相互，提出針對不同煤厚巷幫控制的系統(tǒng)方案。楊軍等基于檸條塔煤礦現(xiàn)場頂?shù)装遄冃伪O(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的分析，將切頂卸壓自成巷圍巖應(yīng)力分布劃分為壓力變化區(qū)（工作面后方90m內(nèi)，受采動影響大）、越穩(wěn)區(qū)（工作面后方90～170m內(nèi)，矸石逐漸壓實，承載能力不斷增大，圍巖趨于穩(wěn)定）和穩(wěn)定區(qū)（工作面后方?170m以外，頂?shù)装迮c支護(hù)系統(tǒng)形成基本穩(wěn)定區(qū)域）鄭忠友等論述了采留一體化工藝，依托“砌體梁”結(jié)構(gòu)理論與支護(hù)技術(shù)等相關(guān)理論，與傳統(tǒng)的沿空留巷技術(shù)作對比，錨體梁支護(hù)理論應(yīng)運而生，有效的提高了圍巖的穩(wěn)定性和完整性，從而減少了支護(hù)成本。并進(jìn)一步討論了切頂關(guān)鍵參數(shù)的確定。何滿潮等利用巖石的抗壓不抗拉特性，提出一種對頂板定向拉伸爆破技術(shù)。孫曉明等研究了利用切頂卸壓來控制巖爆的可行性，首先介紹切頂卸壓的工藝設(shè)計，對工作面布置進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，在此分析上數(shù)值模擬，指出預(yù)切頂可有效降低應(yīng)力集中，明顯降低巖爆的可能性。郭志飚等系統(tǒng)的提出了具有吸收頂板能量的支撐系統(tǒng)，為深部開采提供新方法。并利用數(shù)值模擬對該方法支撐能力以及對頂板使用條件進(jìn)行重點研究，隨后詳細(xì)闡述了頂板預(yù)裂可切斷上腹圍巖應(yīng)力連續(xù)的機(jī)理，且與以往技術(shù)對比分析。指該技術(shù)可在深部開采中能很好地推廣。

3結(jié)論

在低透氣性高瓦斯煤層群開采中，將薄煤層作為保護(hù)層進(jìn)行開采，可實現(xiàn)低透氣性高瓦斯煤層群的卸壓增透，有利于煤層卸壓瓦斯的預(yù)先釋放，提高高瓦斯煤層群的瓦斯預(yù)抽效果，既保證保護(hù)層開采安全，也保證被保護(hù)層的安全生產(chǎn)。若放棄對薄煤層的開采，浪費了大量寶貴的煤炭資源，使得礦井的采出率低。常規(guī)的綜采工作面開采需要留設(shè)區(qū)段煤柱，在區(qū)段煤柱下伏的鄰近煤層群中將形成應(yīng)力集中及卸壓盲區(qū)，增加了下伏鄰近煤層群開采的安全隱患，所以有必要對薄煤層保護(hù)層無煤柱卸壓開采技術(shù)進(jìn)行研究，文章分析了無煤柱沿空留巷和切頂沿空留巷的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

參考文獻(xiàn)：

[1][1]何滿潮.中國煤礦錨桿支護(hù)理論與實踐[M].北京：科學(xué)出版社，2002，4.

[2]何滿潮，高玉兵，楊軍，等.無煤柱自成巷聚能切縫技術(shù)及其對圍巖應(yīng)力演化的影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2017，36（06）：1314-1325.

作者簡介：

楊迎松（1999.03-）男，土家族，貴州沿河縣人，本科在讀，主要從事采礦工程專業(yè)方面學(xué)習(xí)研究

六盤水師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：2021cxcy56）