礦井切頂卸壓沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐

＊劉玉鋒

（貴州貴煤礦山技術(shù)咨詢有限公司 貴州 550000）

煤炭作為我國的主體能源，在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，據(jù)我國工程院預(yù)測，直至2025年，煤炭在能源結(jié)構(gòu)占比中依舊有50%左右[1]，但隨著開采深度增加，原留設(shè)煤柱開采的方式不僅導(dǎo)致煤炭資源浪費(fèi)、采出率低，還增加了工人掘進(jìn)巷道強(qiáng)度，而且存在留設(shè)煤柱上方應(yīng)力集中容易引起地質(zhì)災(zāi)害隱患等缺點(diǎn)[2]，而切頂卸壓沿空留巷技術(shù)工藝則是通過對頂板進(jìn)行超前定向預(yù)裂爆破，切斷采空區(qū)頂板與巷道頂板之間應(yīng)力傳播路徑，進(jìn)而在礦山壓力作用下導(dǎo)致頂板巖石自行垮落，實(shí)現(xiàn)自動成巷無煤柱開采[3-4]。

目前切頂卸壓沿空留巷先進(jìn)工藝技術(shù)已在我國各大礦區(qū)不同地質(zhì)條件的煤礦中進(jìn)行試驗(yàn)推廣[5-7]。但貴州由于煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，所以試驗(yàn)礦井較少，煤礦面臨著采掘關(guān)系緊張、資源枯竭、服務(wù)年限短等問題，因此引用切頂卸壓沿空留巷先進(jìn)技術(shù)，針對貴州省水城縣某煤礦工程地質(zhì)條件和煤層賦存特點(diǎn)，對該工法在現(xiàn)場應(yīng)用過程中遇到的技術(shù)難題進(jìn)行了克服，形成了一套適用該地區(qū)煤礦特色的切頂卸壓沿空留巷技術(shù)工藝體系，總結(jié)出技術(shù)成果，為貴州切頂卸壓沿空留巷技術(shù)推廣提供寶貴參考經(jīng)驗(yàn)。

1.工程概況

現(xiàn)1234綜采工作面已貫通，計(jì)劃采用切頂卸壓沿空留巷工藝技術(shù)保留1234運(yùn)輸巷作為下個回采工作面的回風(fēng)順槽。1234運(yùn)輸巷布置在M23煤層中，M23煤層厚約1.5～3.0m之間，平均厚為2.3m。煤層傾角在20°～24°之間，平均煤層傾角23°，該工作面走向長度580m，傾向長度192m，留巷位置如圖1所示。

圖1 工作面切頂卸壓無煤柱開采施工位置示意圖

M23煤層頂板主要以泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖為主，工作面柱狀圖如圖2所示。

圖2 工作面柱狀圖

2.技術(shù)原理及工藝

常規(guī)長壁開采121工法往往面臨頂板應(yīng)力集中、采動超前壓力高、頂板被壓壞等問題，而切頂卸壓沿空留巷技術(shù)工藝可以在很大程度上減少上述問題，即回采一個工作面，只需掘進(jìn)一條順槽巷道，零個煤柱，實(shí)現(xiàn)無煤柱開采[8]。

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)關(guān)鍵工藝體現(xiàn)在拉得住、切得開、下得來、護(hù)得好四個方面。拉的住是指利用NPR恒阻大變形錨索對巷道頂板進(jìn)行加固，保證留巷頂板穩(wěn)定性；切得開是指利用頂板定向切縫技術(shù)，通過雙向聚能拉張爆破形成有效的切縫面；下得來是指采空區(qū)頂板能沿著切縫垮落；護(hù)得好是指在成巷初期圍巖不穩(wěn)定時(shí)候，采用U型鋼加金屬網(wǎng)對巷道表面加強(qiáng)支護(hù)，使用切頂護(hù)幫支架對巷道采空區(qū)側(cè)進(jìn)行擋矸支護(hù)，防止頂板垮落巖石沖入巷道。

3.方案設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦實(shí)際生產(chǎn)情況，1234綜采工作面上方1204工作面采空區(qū)分布情況及層間距不同，將留巷區(qū)段劃分為五個區(qū)段進(jìn)行設(shè)計(jì)，第I區(qū)段（距切眼0～30m巷道）；第II區(qū)段（距切眼30～50m巷道）；第III區(qū)段（距切眼50～100m巷道）；第IV區(qū)段（距切眼100～350m巷道）；第V區(qū)段（距切眼350～455m巷道）；第VI區(qū)段（距切眼455～510m巷道）；第VII區(qū)段（距切眼510～580m巷道），受文章篇幅限制，以第V區(qū)段為例進(jìn)行研究闡述。

(1)切頂爆破方案

基于切頂卸壓沿空留巷經(jīng)驗(yàn)理論基礎(chǔ)，結(jié)合《無煤柱自成巷110工法規(guī)范》，并根據(jù)在現(xiàn)場反復(fù)實(shí)踐探索，提出的合理預(yù)裂切縫深度（H縫）設(shè)計(jì)一般大于2.6倍采高[9]，如式（1）所示：

另外預(yù)裂切縫鉆孔深度還與開采高度、頂板下沉量及底臌量有關(guān)，可通過式（2）確定：

式中：ΔH1：頂板下沉量，m；ΔH2：底臌量，m；k：碎脹系數(shù)，1.3～1.5。

采空區(qū)頂板冒落煤矸石碎脹系數(shù)取1.35，在不考慮底臌及頂板下沉的情況下，工作面采高H煤為2.3m時(shí)，代入式（2）計(jì)算得H縫=5.3m，綜合考慮頂板巖性、采空區(qū)分布及上述計(jì)算結(jié)果，350～455m巷道設(shè)計(jì)為H縫=7.5m。切縫孔布置在回采側(cè)頂板夾角處，與鉛垂線夾角為15°，間距為500mm。切縫鉆孔布置剖面圖如圖3所示。

圖3 350～455m段切頂及恒阻錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

通過單孔試驗(yàn)確定合理裝藥量及封泥長度，并再通過間隔爆破觀察藥孔間空孔內(nèi)的裂紋情況，確定一次爆破孔數(shù)以及爆破方式。若空孔裂紋未達(dá)要求標(biāo)準(zhǔn)，則繼續(xù)進(jìn)行連續(xù)爆破試驗(yàn)，直至最終確定。炮孔試驗(yàn)參數(shù)如圖4所示。

圖4 炮孔參數(shù)試驗(yàn)方案

現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，分別在每個爆破孔中安裝4個聚能管，并采用2+2+1+1的裝藥方式，通過窺孔儀觀測孔內(nèi)裂縫情況，若效果不理想，可根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況具體調(diào)整。爆破孔口采用炮泥封孔，封孔長度不小于1m。

(2)頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

對巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂切頂前采用恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)加固，綜合考慮頂板巖性分布，在留巷350～510m段共設(shè)計(jì)布置三列恒阻錨索。三列恒阻錨索設(shè)計(jì)長度9.3m。設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)如下。

恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，共布設(shè)3列。第一列長度為9300mm，距留巷正幫500mm，排距800mm；第二列與第一列恒阻錨索的距離為1600mm，排距1600mm，長度為9300mm；第三列距第二列恒阻錨索1600mm，排距1600mm，長度為9300mm。第一列恒阻錨索相鄰錨索之間用W鋼帶連接（W鋼帶平行于巷道走向）。第二列、第三列恒阻錨索沿巷道走向采用錨索吊梁加強(qiáng)支護(hù)，用20#礦用槽鋼，長2200mm，邁步式布置。距留巷正幫800mm補(bǔ)打一列錨桿，長度2000mm，間距800mm。

(3)擋矸護(hù)幫及臨時(shí)支護(hù)方案

在成巷初期，為降低頂板運(yùn)動對巷道的影響，在架后頂板需要臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，通過采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁進(jìn)行超后支護(hù)，一梁一柱，沿巷道走向布置。每排布設(shè)排距1000mm的4根單體支柱，設(shè)計(jì)第一排單體距離切縫線200mm，第二排單體距離切縫線700mm，第三排單體位于中線偏回采幫100mm，第四排單體距實(shí)體煤幫500mm，傾斜布設(shè)，與豎直方向夾角為15°。單體布設(shè)與液壓支架立柱平齊，不可滯后于工作面，臨時(shí)支護(hù)側(cè)視圖如5所示。

圖5 350～455m段架后臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)斷面

(4)防漏風(fēng)及防滅火方案

采取風(fēng)筒布防漏風(fēng)技術(shù)措施能夠有效防止漏風(fēng)現(xiàn)象。根據(jù)巷道情況布置高度4m的風(fēng)筒布于擋矸金屬網(wǎng)后，超出30cm部分分別固定到頂?shù)装濉?/p>

留巷后需進(jìn)行碎石幫側(cè)噴漿處理。在滯后工作面距離大于60m處圍巖運(yùn)動影響較小，可噴漿40mm厚，并實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場礦壓情況，預(yù)計(jì)滯后工作面160m處巷道圍巖運(yùn)動基本穩(wěn)定，重復(fù)噴漿60mm厚。噴漿材料采用高分子快速密閉噴涂材料，固化后材料氣密性好，防止氣體泄露，能在很大程度上降低工人勞動強(qiáng)度。

最后通過建立健全束管系統(tǒng)，并結(jié)合人工監(jiān)測、采樣分析等方法，以CO、烯烴類氣體為判斷指標(biāo)，并輔以溫度、水霧等表象類特征對火災(zāi)進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。

(5)留巷效果分析

通過恒阻錨索、單體以及20#槽鋼對頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，工作面超前支承壓力影響對頂板影響不明顯，在工作面后方留巷段內(nèi)受到采空區(qū)頂板垮落影響，頂板變形呈現(xiàn)“開始—加速—變緩—穩(wěn)定”趨勢。

留巷段頂板下沉量從采空區(qū)側(cè)向煤柱側(cè)依次減少，采空區(qū)側(cè)頂板下沉量最大達(dá)80mm，1234運(yùn)輸巷圍巖變形整體較小，取得較好的留巷效果。

4.效益分析

通過采用切頂卸壓沿空留巷工藝保留1234運(yùn)輸巷作為下個回采工作面的回風(fēng)順槽，可以在少掘一條回風(fēng)巷的同時(shí)減少巷道支護(hù)成本，則留巷總效益=煤柱效益+少掘1條回風(fēng)巷道成本-沿空留巷增加成本。產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益對比如表1所示。

表1 經(jīng)濟(jì)效益對比表

(1)經(jīng)濟(jì)效益

①該工作面可多回收3萬噸煤柱，按照1000元/t價(jià)格，可實(shí)現(xiàn)煤柱經(jīng)濟(jì)效益3000萬元。

②一條巷道的掘進(jìn)費(fèi)用（包括人工費(fèi)用）大致在5000元/m，巷道平均長度按580m算，單個工作面節(jié)約掘進(jìn)費(fèi)用290萬元。

③原混凝土砌塊墻沿空留巷工藝中，預(yù)裂爆破切頂留巷每米節(jié)約成本費(fèi)800元，可節(jié)約46.4萬元。

(2)技術(shù)效益

①進(jìn)行1234工作面切頂卸壓沿空自動成巷開采科研項(xiàng)目研究，利用切頂卸壓自成巷，實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采。

②采用切頂留巷工藝，工人勞動強(qiáng)度低，操作簡單，減少了砌塊制作、運(yùn)輸、搬運(yùn)環(huán)節(jié)，可大大減少后期巷道臥底工程量，改善了現(xiàn)場安全生產(chǎn)條件，同時(shí)減少人員用工投入，每米減少勞動用工10個，達(dá)到了減員增效的效果。

5.結(jié)論

（1）基于工作面及頂?shù)装鍡l件，提出適用于貴州省水城縣某礦的無煤柱開采切頂卸壓沿空留巷方案，為貴州該區(qū)域切頂卸壓沿空留巷技術(shù)推廣提供寶貴參考經(jīng)驗(yàn)。

（2）針對1234工作面，提出切頂爆破方案、頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案、巷道臨時(shí)支護(hù)方案、防漏風(fēng)及防滅火方案以達(dá)到成功留巷目的。

（3）經(jīng)濟(jì)效益和社會效益分析表明，切頂卸壓沿空留巷總經(jīng)濟(jì)效益為3336.4萬元；同時(shí)可以優(yōu)化采掘關(guān)系，減少人員用工投入，改善現(xiàn)場安全生產(chǎn)條件。