綜采工作面切頂卸壓沿空成巷開采技術(shù)探討

馬智宇

（晉能控股煤業(yè)集團安全管理部，山西 大同 037003）

晉能控股煤業(yè)集團王村煤業(yè)8120 工作面平均煤層厚度為4.6 m，采用了長壁綜合機械化采煤法，煤層的直接頂為細砂巖，平均厚度為3.1 m，頂板巖層的平均彈軸抗壓強度為101 MPa，屬于堅硬巖層。 以往綜采工作面順槽一般采用雙巷布置，需留設護巷煤柱，雖簡化了支護作業(yè)，但也造成了煤炭回采率低、井下巷道維護成本高等缺點。目前多數(shù)煤礦均采用沿空成巷無煤柱開采技術(shù)。該技術(shù)能夠顯著地提升煤炭的回采率和經(jīng)濟效益。 但在頂板硬度較大的區(qū)域，頂板在垮落時不僅沖擊大而且還容易在綜采面的兩邊各形成一個“弧形三角頂板”，造成圍巖應力集中，影響巷道的穩(wěn)定。 針對王村煤業(yè)8120 工作面堅硬頂板條件，擬對綜采面沿空成巷開采技術(shù)應用進行初步探討。

1 沿空成巷技術(shù)

王村煤業(yè)8120 工作面采用切頂卸壓沿空成巷無煤柱開采技術(shù)。 首先在綜采面前側(cè)處的預留巷道的采空側(cè)采用錨桿和錨索進行前進支護，然后在巷道頂板的適當區(qū)域內(nèi)設置爆破孔，在爆破孔內(nèi)設置爆破藥，對頂板進行爆破處理，形成一條人工的頂板裂痕，降低采空區(qū)頂板和綜采面上頂板的連續(xù)。 隨著綜采面的不斷推進，懸空的頂板長度不斷增加，在采場礦壓波動和開采擾動的情況下，頂板從預裂縫處垮落，最終形成沿空巷的巷幫。 然后隨著綜采面的不斷推進，再人工對該垮落的巷幫進行擋矸支護，在巷道內(nèi)布置擋矸支柱，提高其穩(wěn)定性。 成巷完成后再對采空區(qū)進行密閉，待垮落頂板完全穩(wěn)定后再對支護單體進行撤回，完成留巷作業(yè)。 沿空成巷無煤柱開采技術(shù)如圖1 所示[1]。

圖1 沿空成巷無煤柱開采技術(shù)

2 預裂切頂爆破

在井下進行預裂切頂爆破時，需要結(jié)合綜采面的實際地質(zhì)條件，以能夠?qū)⒕C采面上方頂板完全切斷為原則[2]。在進行爆破孔設計時需考慮井下鉆孔設備的應用便捷性和靈活性。 根據(jù)實際經(jīng)驗，通常情況下可以將井下爆破孔的深度設置為13 m，爆破孔之間的距離設置為1 m，爆破孔的直徑為42 mm。 為了提高爆破效果，爆破孔和綜采面運輸巷呈65°夾角；每個爆破孔內(nèi)的裝藥量為2.8 kg，每個藥卷的質(zhì)量為200 g/卷，可根據(jù)煤礦井下的實際情況選擇炸藥安全等級、裝藥量。

為了確保爆破效果，裝藥采用PE 管，其規(guī)格為φ35 mm×2 000 mm，同時為了布藥的便捷性，在管子軸向方向設置了4 組規(guī)格為3 mm×300 mm的矩形孔，每個孔之間的距離為200 mm。 在裝藥時，每個鉆孔內(nèi)設置3 組PE藥管，每個藥管均采用正向裝藥結(jié)構(gòu)。 為了保證炸藥的起爆可靠性，在第一節(jié)PE 管的端部設置成尖的木塞，每個孔內(nèi)用2組延時雷管和1 組導爆索進行起爆，導爆索在裝配時需要插入到最下側(cè)的藥卷內(nèi)，將一個雷管插入到第二節(jié)藥卷內(nèi)，將另一個雷管插入到第一節(jié)的藥卷內(nèi)，保證起爆的可靠性，該爆破藥的裝藥結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

封孔時，采用“炮泥+ 水泡泥+ 炮泥”的三重封孔結(jié)構(gòu)[3]，爆破采用電容式起爆器，一次爆破孔的數(shù)量控制在4～6 個，以保證爆破的完整性和可靠性。

3 前進支護

為提高切頂成巷的穩(wěn)定性，需要在綜采面進行前進支護。 為確保支護效率和支護穩(wěn)定性的統(tǒng)一，擬采用高預應力錨索+單體支柱聯(lián)合支護。 錨索規(guī)格采用φ18.9 mm×12 500 mm，布置時可以沿著綜采面縱向布置，各個錨索之間的間距設置為1.5 m。 錨索梁采用長度為3.8 m 的U 型梁，每個U 型梁之間的距離為0.7 m，其墊板采用厚度為15 mm 的鋼板，鋼板規(guī)格可以根據(jù)井下實際情況確定。 錨固劑選擇樹脂型錨固劑，錨索的預緊力設置在150～200 kN 之間。 單體液壓支架的抬棚選擇長度為3 000 mm 的π 型鋼梁，然后在其周圍設置單體液壓支柱輔助支護，單體液壓支柱數(shù)量不少于3 組[4]。綜采面前進支護支架結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 綜采面前進支護結(jié)構(gòu)

4 擋矸支護

在頂板垮落后需要及時對后側(cè)區(qū)域進行擋矸支護，為提高穩(wěn)定性，支護方式采用密集擋矸支護[5]。 擋矸主要以U型鋼為基礎(chǔ)，擋矸的上扎不應小于90 mm，下扎不應小于200 mm，擋矸之間的距離不應小于400 mm，護網(wǎng)采用金屬雙層護網(wǎng)，護網(wǎng)之間的搭接采用鋼絲捆扎，搭接長度不小于100 mm。

井下支柱抬棚選擇和前進支護一樣采用鋼梁結(jié)構(gòu)，但為了提高支護的穩(wěn)定性，其周圍設置的單體液壓支柱的數(shù)量不應少于3 組，在固定單體液壓支柱時，需要在距離巷道上幫分別為400 mm和700 mm 處各設置一組。

5 應用效果分析

為觀測綜采面沿空巷道圍巖變形情況，擬定在井下8120 工作面5120 巷道頂板和兩幫各設置8 組監(jiān)測點，監(jiān)測點設置在工作面切眼后側(cè)的巷道內(nèi)，每個監(jiān)測點的間隔為110 m，對綜采作業(yè)不同階段的位移量進行監(jiān)測，結(jié)果如圖3 所示。從監(jiān)測結(jié)果可知，應用沿空成巷技術(shù)后，巷道頂板的平均移近量約為236 mm，比優(yōu)化前的2 017.1 mm 降低了約88.3%；巷道兩幫的平均移近量約為344 mm，比優(yōu)化前的1 433.3 mm 降低了約76.4%；確保了留巷的基本穩(wěn)定。

圖4 巷道圍巖變化曲線

6 結(jié)論

1）擬應用切頂卸壓沿空成巷開采技術(shù)消除綜采面“弧形三角頂板”威脅。

2）技術(shù)特點為：預裂切頂爆破，應將綜采面上方頂板完全切斷；前進支護采用高預應力錨索+單體支柱聯(lián)合支護，單體液壓支柱的數(shù)量不少于3組，以提升前進支護的效率和穩(wěn)定性；在頂板垮落后需要及時對后側(cè)區(qū)域進行擋矸支護，支護方式采用密集擋矸支護，擋矸采用U 型鋼，護網(wǎng)采用金屬雙層護網(wǎng)。

3）應用沿空成巷技術(shù)后，巷道頂板的平均下沉量降低88.3%，兩幫的平均移近量降低76.4%，確保了留巷的基本穩(wěn)定。