義棠煤業(yè)回撤通道切頂卸壓技術(shù)

李 實(shí)

(山西義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 介休 032000)

傳統(tǒng)的工作面回撤時(shí),面臨著頂部壓力過大、沉降量過大,甚至壓死支架等問題。為保證工作面快速安全撤出，相關(guān)學(xué)者做出了大量研究。西龍[1]以永煤2505工作面為例，對回撤通道上覆巖體的力學(xué)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)展開研究，提出了不同覆巖斷裂結(jié)構(gòu)下的回撤通道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。康繼春[2]指出回撤通道失穩(wěn)過程包含3個(gè)階段，即回撤通道掘進(jìn)影響階段、工作面采動(dòng)影響階段、停采老頂失穩(wěn)影響階段，并在此基礎(chǔ)上針對失穩(wěn)的不同階段對回撤通道的支護(hù)設(shè)計(jì)及工序進(jìn)行了優(yōu)化。張金虎[3]通過對某破碎頂板工作面回撤通道的變形觀測，發(fā)現(xiàn)其頂板運(yùn)動(dòng)可分為相對穩(wěn)定、突變運(yùn)動(dòng)、顯著運(yùn)動(dòng)3個(gè)過程，在頂板運(yùn)動(dòng)相對穩(wěn)定的階段增加垛式支架的工作阻力可以有效控制回撤通道變形。上述研究成果為回撤通道的時(shí)空破壞機(jī)理探索及支護(hù)對策設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒，但在現(xiàn)有研究中，回撤通道的變形控制仍主要靠被動(dòng)加強(qiáng)支護(hù)來實(shí)現(xiàn)，控制圍巖變形的同時(shí)往往會(huì)增加支護(hù)成本和工作量，影響工作面回撤接續(xù)。

何滿潮[4-5]基于切斷煤層上覆頂板應(yīng)力傳遞的思想，提出了切頂卸壓配合高預(yù)緊力恒組錨索協(xié)同控頂?shù)南锏乐ёo(hù)方法，實(shí)現(xiàn)了無煤柱自成巷在現(xiàn)場的成功應(yīng)用。義棠煤業(yè)100507工作面上覆頂板較為厚硬，在工作面即將與回撤通道貫通前，煤層上方堅(jiān)硬頂板易產(chǎn)生長懸臂結(jié)構(gòu)，可能造成回撤通道內(nèi)液壓支架與大巷保護(hù)煤柱處所受到的附加垂直應(yīng)力過高，對工作面的安全快速撤出產(chǎn)生不利影響，甚至在工作面撤出結(jié)束后，基本頂形成的鉸接結(jié)構(gòu)在各項(xiàng)力的作用下仍對大巷保護(hù)煤柱及大巷造成持續(xù)性影響。為此，提出切頂卸壓與回撤通道的設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)工作面順利回撤。

1 工程概況

義棠煤業(yè)公司100507工作面位于西翼五盤區(qū)，采用綜采放頂煤工藝，工作面長度180 m，推進(jìn)總長度1 173 m，剩余推進(jìn)長303 m(距50 m停采線)，工作面采高2.8 m，放煤高度3.6 m，采放比為1∶1.3. 直接頂為0.1 m隨采隨落的碳質(zhì)泥巖，基本頂為10.138 m的k2灰?guī)r，底板為鋁土泥巖。該工作面進(jìn)風(fēng)順槽西距100508工作面進(jìn)風(fēng)順槽256 m，東距100506工作面(2018年12月末采)30 m(煤柱寬度 30 m)，北距下組煤專用回風(fēng)巷50 m(停采距50 m)，南部為礦井井田邊界。設(shè)計(jì)100507工作面距下組煤專用回風(fēng)巷50 m. 綜合地質(zhì)柱狀圖見圖1.

圖1 綜合地質(zhì)柱狀圖

2 切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理，確定100507工作面回撤通道切頂卸壓的關(guān)鍵參數(shù)切頂高度和切頂角度。

2.1 切頂高度

隨著工作面的不斷推進(jìn)直至與回撤通道貫通，在直接頂較薄、煤層較厚的情況下，直接頂碎裂后不能充滿采空區(qū)，造成其上覆基本頂產(chǎn)生長距離不易垮落的懸頂?；卷斣谄渖细草d荷和自身重力的作用下對回撤通道實(shí)體煤幫處施加較大的附加應(yīng)力，容易出現(xiàn)壓死支架的事故，加大了回撤通道的支護(hù)難度。通過對頂板預(yù)裂切縫，將基本頂斷裂位置向采空區(qū)側(cè)轉(zhuǎn)移，減少基本頂懸臂長度，可優(yōu)化回撤通道圍巖的應(yīng)力環(huán)境。

切頂高度指回撤通道頂板平面到切縫末端的垂直距離。足夠的切頂高度可以使切落下來的頂板碎裂后充滿采空區(qū)，能夠支撐采空區(qū)上覆巖層的基本頂巖梁的運(yùn)動(dòng)。其計(jì)算公式[4]為：

H縫=(H巷-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(1)

式中，ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)，一般為1.1～1.3，根據(jù)頂板巖性，取1.18. 在不考慮底鼓、頂板下沉，僅考慮回撤通道高度的影響，回撤通道高3 m，則切縫高度為16.67 m. 考慮到本工作面煤層頂板屬于堅(jiān)硬頂板，綜合頂板巖性及控制基本頂?shù)南鲁梁妥冃我约扒锌p角度與施工便利，預(yù)裂切縫孔深度確定為17 m.

2.2 切頂角度

切頂角度指預(yù)裂面與豎直方向的夾角。切頂角度過小時(shí)，切縫面產(chǎn)生較大的摩擦阻力，巖塊在摩擦力的作用下形成鉸接結(jié)構(gòu)，不能沿切縫面順利滑落；切頂角度過大時(shí)，基本頂懸臂長度增加，加大了巷道圍巖維護(hù)難度。因此，應(yīng)在保證巖塊能夠順利滑落的同時(shí)，盡量減小其切頂角度。關(guān)鍵塊體受力分析見圖2.

圖2 關(guān)鍵塊體受力分析圖

根據(jù)砌體梁理論和圍巖結(jié)構(gòu)S-R穩(wěn)定原理[6]，巖塊發(fā)生滑落失穩(wěn)的條件為：

(2)

式中，L為基本頂巖塊的長度，m；h為基本頂?shù)暮穸龋琺；ΔS為巖塊B的下沉量，m；φ為巖塊間的摩擦角，(°)；θ為切頂角度，(°). 根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，取φ=46°，h=10.138 m，ΔS=4.8 m，L=19 m，得出θ≥16.6°，考慮到施工便利性，取切頂角度為20°.

3 回撤通道切頂卸壓工程應(yīng)用

3.1 回撤通道切頂卸壓設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)采用以“回撤通道和切頂卸壓”為主體的設(shè)計(jì)方案，通過預(yù)先在停采線附近掘出回撤通道，在100507工作面距離回撤通道50 m附近時(shí)，完成回撤通道的巷內(nèi)支護(hù)，然后在回撤通道內(nèi)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破。通過該設(shè)計(jì)方案不僅能夠減弱100507工作面基本頂周期來壓強(qiáng)度，降低周期來壓影響范圍，減緩對下組煤西翼回風(fēng)大巷的影響，而且最大限度地保障施工安全，不影響100507工作面的生產(chǎn)進(jìn)度。

根據(jù)頂?shù)装鍘r石的強(qiáng)度和原支護(hù)方式的支護(hù)強(qiáng)度，結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)際，回撤通道頂板采用恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)加固后，在回撤巷道正幫位置，按設(shè)計(jì)參數(shù)施工預(yù)裂爆破孔進(jìn)行預(yù)裂爆破，進(jìn)而形成切縫線，恒阻大變形錨索和單體支柱支護(hù)巷道頂板?；爻吠ǖ狼许斝秹何恢靡妶D3.

圖3 回撤通道切頂卸壓位置圖

1) 掘進(jìn)回撤通道。

回撤通道長180 m，與100507工作面在同一層位，回撤通道為矩形斷面，寬4.0 m，高3 m. 回撤通道頂板采用螺紋鋼錨桿+菱形鋼絲網(wǎng)+恒阻錨索作為永久支護(hù)；保護(hù)煤柱側(cè)巷幫螺紋鋼錨桿+木托板聯(lián)合支護(hù)；采煤側(cè)巷幫玻璃鋼錨桿+木托板聯(lián)合支護(hù)?；爻吠ǖ乐ёo(hù)形式見圖4.

圖4 回撤通道斷面支護(hù)圖

2) 頂板預(yù)裂切頂卸壓設(shè)計(jì)方案。

考慮到100507綜放工作面頂板上覆存在10.138 m的堅(jiān)硬石灰?guī)r，當(dāng)工作面回采后，上覆堅(jiān)硬頂板在巖層回轉(zhuǎn)下沉的同時(shí)，該巖層能夠傳遞礦山壓力，對下組煤西翼回風(fēng)大巷產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力，造成圍巖大量變形。為減弱回撤巷道上部的壓力，有效控制頂板圍巖壓力傳遞，同時(shí)利用垮落巖層的碎脹性充填采空區(qū)，預(yù)裂切縫孔深度設(shè)計(jì)為17 000 mm，切縫孔角度20°(與鉛垂線夾角)，孔間距為500 mm. 回撤通道切頂卸壓布置見圖5.

圖5 回撤通道切頂卸壓圖

為了達(dá)到切頂卸壓的效果，綜合考慮工作面周期來壓的方式，在100507兩順槽靠近停采線30 m進(jìn)行巷內(nèi)的頂板切縫設(shè)計(jì)，切縫孔深度17 m，角度20°(與垂直夾角)，間距500 mm.

3.2 工程應(yīng)用效果

整個(gè)切頂卸壓過程共歷時(shí)34天，施工爆破鉆孔234個(gè)。其中常規(guī)爆破孔196個(gè)，觀察孔38個(gè)，項(xiàng)目收尾階段補(bǔ)充爆破觀察孔22個(gè)，共實(shí)施爆破作業(yè)218個(gè)鉆孔，另有16個(gè)鉆孔因塌孔或卡鉆等原因未實(shí)施爆破。從爆破結(jié)果來看，調(diào)整鉆孔參數(shù)及爆破參數(shù)后，多數(shù)鉆孔爆破后封泥完整，對部分爆破孔窺視后，結(jié)果顯示鉆孔切縫效果良好。鉆孔窺視圖見圖6.

圖6 現(xiàn)場切縫孔裂縫窺視圖

工作面距離回撤通道30 m時(shí)，在回撤通道內(nèi)，每隔30 m在錨索位置安裝一個(gè)壓力枕，進(jìn)行礦壓監(jiān)測，其觀測結(jié)果見圖7.

圖7 壓力枕曲線圖

由圖7可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至距停采線30 m時(shí)，回撤通道壓力枕讀數(shù)除4#、5#測站較初始值有所減小外，其余測站讀數(shù)均較初始值有所增大，各測站讀數(shù)均呈緩慢增長趨勢。由數(shù)據(jù)結(jié)果可知，工作面推進(jìn)至距停采線30 m距離時(shí)，其超前支承壓力對開拓巷道已經(jīng)產(chǎn)生影響，隨著切頂卸壓工作持續(xù)開展，部分測站數(shù)值出現(xiàn)回落現(xiàn)象，各測站壓力值增速明顯放緩，切頂卸壓效果已初步顯現(xiàn)。

通過對錨索受力和伸縮量變化綜合分析可知，在工作面推進(jìn)的過程中，回撤通道的錨索受力會(huì)逐漸增加,當(dāng)工作面貫通回撤通道時(shí)，錨索受力降低，同時(shí)錨頭的可伸縮式量發(fā)生了較大幅度的上升,表明此時(shí)切頂已經(jīng)起到了預(yù)期效應(yīng),切斷了頂板的應(yīng)力傳導(dǎo),優(yōu)化了回撤通道圍巖的應(yīng)力環(huán)境,并且由于此時(shí)巷道上方頂板圍巖受到自身重力的影響,會(huì)發(fā)生下沉,因而恒阻錨索可以利用自身的變形力,避免回撤通道頂板發(fā)生較大離層，保持巷道頂板的整體性,保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性,確保了作業(yè)面的迅速安全回撤。

4 結(jié) 語

在義棠煤業(yè)100507工作面采用以回撤通道切頂卸壓技術(shù)為主導(dǎo)的回撤通道支護(hù)新型生產(chǎn)工藝。預(yù)掘回撤通道的位置在距大巷50 m處，在回撤通道以及靠近停采線30 m的兩順槽進(jìn)行切頂卸壓，同時(shí)使用恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)以加固頂板,抑制頂板沉降現(xiàn)象,使回撤巷道支護(hù)圍巖可以最大限度發(fā)揮自身承載功能，進(jìn)而減弱液壓支架回撤期間巷道的變形，保證支架快速安全回撤。