夏店煤礦3號(hào)煤層回采巷道切頂卸壓留小煤柱技術(shù)研究與應(yīng)用

李世慧

(潞安化工集團(tuán) 慈林山煤業(yè)公司夏店煤礦,山西 長(zhǎng)治 046299)

1 工程概況

山西潞安化工集團(tuán)夏店煤礦3號(hào)煤層平均厚度為6.8 m，煤層傾角為1～3°，煤層內(nèi)含1層夾矸，煤層頂板巖層為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，底板巖層為砂質(zhì)泥巖和泥巖。3號(hào)煤層回采巷道采用傳統(tǒng)的30 m區(qū)段大煤柱護(hù)巷，造成了大量的煤炭資源浪費(fèi)。3119工作面為回采工作面，其下區(qū)段為3121工作面。現(xiàn)為提升煤炭采出率，擬在3121工作面回風(fēng)巷采用小煤柱護(hù)巷，同時(shí)為了調(diào)控護(hù)巷煤柱的應(yīng)力環(huán)境，擬在上區(qū)段3119工作面的運(yùn)輸巷進(jìn)行切頂卸壓，現(xiàn)進(jìn)行護(hù)巷煤柱合理寬度及卸壓方案研究。

2 小煤柱穩(wěn)定影響因素

影響小煤柱穩(wěn)定的因素有很多，最主要的因素有：①巷道上覆巖體運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性的影響。上覆巖層的運(yùn)動(dòng)和失穩(wěn)會(huì)使窄煤柱上局部載荷增加，使小煤柱的變形增大。②提高小煤柱的支護(hù)強(qiáng)度可以有效提高小煤柱的側(cè)向約束力，減小煤柱破碎區(qū)。③經(jīng)過(guò)上區(qū)段回采影響，小煤柱出現(xiàn)不同程度的破壞，小煤柱中穩(wěn)定區(qū)的存在將直接影響支護(hù)效果。④煤柱與其上下交界面接觸的情況。當(dāng)煤柱處于軟弱巖層或煤層中時(shí)，頂?shù)装宓乃轿灰拼笥诿褐冃瘟?，?huì)進(jìn)一步加大煤柱的變形情況[1-3]。⑤小煤柱的應(yīng)力環(huán)境，小煤柱在上覆巖層的下壓運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力差值增大的情況，可通過(guò)切頂卸壓改善小煤柱的應(yīng)力環(huán)境，使各項(xiàng)應(yīng)力差值最大限度減小。

3 定向切頂護(hù)巷技術(shù)

3119工作面運(yùn)輸巷采用頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂切頂技術(shù)，技術(shù)方案中的參數(shù)主要包括：預(yù)裂鉆孔角度、深度、間距、裝藥結(jié)構(gòu)、預(yù)裂爆破方式及裝藥結(jié)構(gòu)等，具體切頂方案中的各項(xiàng)參數(shù)如下：

1) 鉆孔角度：結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)[4-6]，考慮煤柱尺寸，3119膠帶運(yùn)輸巷切縫孔布置與頂板夾角選取20°來(lái)鉆孔預(yù)裂爆破。

2) 鉆孔深度：根據(jù)工作面綜合柱狀圖和頂板窺視情況，煤層頂板由泥巖、中粒砂巖組成，根據(jù)關(guān)鍵層理論臨界確定切頂高度為20 m.

3) 頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂鉆孔直徑：預(yù)裂鉆孔直徑60 mm，聚能管直徑48 mm，裝藥直徑35mm.

4) 鉆孔間距：采用3級(jí)乳化炸藥。根據(jù)條形(柱狀)藥包爆破波作用區(qū)域的理論，結(jié)合不耦合裝藥條件下壓碎圈半徑和裂隙區(qū)半徑計(jì)算，預(yù)裂鉆孔間距500～1 000 mm.

頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂設(shè)計(jì)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂設(shè)計(jì)參數(shù)

5) 爆破方式：裝藥方式可采用兩孔連續(xù)裝藥隔一個(gè)孔、三孔連續(xù)裝藥隔一個(gè)孔、四孔連續(xù)裝藥隔一個(gè)孔、連續(xù)裝藥四種方式進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示。一次起爆的切縫孔數(shù)量不得大于8個(gè)，爆破作業(yè)時(shí)采用連續(xù)裝藥方式。

圖1 爆破方式圖(mm)

6) 裝藥結(jié)構(gòu)及工藝：直接裝藥并采用導(dǎo)爆索起爆；頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂爆破采用O型聚能管不耦合裝藥，在井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝藥，當(dāng)班使用當(dāng)班裝藥。O型聚能管外徑48 mm，單根聚能管長(zhǎng)度2 m，精準(zhǔn)定向預(yù)裂爆破采用三級(jí)煤礦乳化炸藥，O型聚能管每米裝藥量為900 g.首先將聚能管的扣蓋打開(kāi)，將乳化炸藥直接安裝進(jìn)聚能管中，并用定位塊固定炸藥，聚能管直接用連接管連接，每個(gè)炮孔需要7根聚能管、7個(gè)定位塊，6個(gè)連接管。通過(guò)2根導(dǎo)爆索并排安裝，在炮孔底部每根導(dǎo)爆索安裝1發(fā)雷管起爆，則需要2根22 m導(dǎo)爆索和2根雷管。炮孔和炮孔之間采用串聯(lián)連線(xiàn)。

切頂鉆孔裝藥長(zhǎng)度14 m，單孔裝藥量為14 kg，封泥長(zhǎng)度8 m，具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)圖

7) 切頂卸壓范圍：超前預(yù)裂爆破在頂板臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)后，預(yù)裂爆破應(yīng)在超前采動(dòng)影響區(qū)外完成，使施工受超前支承壓力的影響。設(shè)置超前工作面20 m進(jìn)行預(yù)裂切縫。

4 效果分析

3121回風(fēng)巷設(shè)計(jì)斷面為矩形，掘進(jìn)寬×高=5.2 m×3.4 m，巷道沿煤層頂板布置，巷道圍巖采用錨網(wǎng)索支護(hù)方案，錨桿采用D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，頂板和兩幫錨桿間排距分別為800 mm×800 mm和750 mm×800 mm；頂板錨索采用D21.8 mm×7 300 mm的低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，間排距為1 500 mm×1 600 mm；小煤柱幫采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索采用D21.8 mm×4 300 mm的低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，錨桿預(yù)緊扭矩為400 N·m，錨索預(yù)緊力為150 kN，具體巷道支護(hù)斷面如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)斷面圖(mm)

3121工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，根據(jù)圍巖變形觀測(cè)結(jié)果，巷道在上區(qū)段切頂卸壓后，在8 m煤柱和現(xiàn)有支護(hù)方案下，頂?shù)装寮皟蓭妥畲笞冃瘟繛?0 mm，圍巖變形量小，在3121工作面回采期間進(jìn)一步進(jìn)行變形量的監(jiān)測(cè)分析，圍巖變形曲線(xiàn)如圖4所示。

分析圖4可知，在巷道表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)與工作面距離在0～100 m時(shí)，隨著工作面與巷道表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的距離逐漸縮短，頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟恐饾u增大，巷道圍巖變形中兩幫的最大變形量為383 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?70 mm，圍巖變形量合理。

圖4 工作面回采期間巷道表面位移曲線(xiàn)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)3119和3121工作面的地質(zhì)賦存特征，通過(guò)分析小煤柱穩(wěn)定性影響因素，并采用模擬分析未切頂和切頂后不同煤柱寬度支承壓力分布情況，確定3121工作面回風(fēng)巷護(hù)巷煤柱寬度為8 m，切頂采用頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂技術(shù)，具體設(shè)計(jì)切頂鉆孔直徑、深度、角度、間距、裝藥結(jié)構(gòu)及方式和爆破方式等參數(shù)。根據(jù)圍巖變形監(jiān)測(cè)分析可知，切頂卸壓后，巷道在8 m煤柱寬度下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿(mǎn)足回采使用要求。