綜放工作面切頂卸壓沿空留巷開采技術(shù)應(yīng)用

張國輝，邢 永

（陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

近年來，煤炭行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，礦井開挖越來越深，過程中留設(shè)的煤柱難以回收，造成了煤炭資源的大量浪費，且常發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于巷道圍巖控制，也不利于開采的順利進(jìn)行，而沿空留巷技術(shù)是解決上述問題的關(guān)鍵手段。常傳強(qiáng)等為了減少巷道的掘進(jìn)量，提高煤炭開采率，在新汶礦業(yè)集團(tuán)實現(xiàn)了1條巷道2個工作面共同使用，可對先采工作面上平巷沿空留巷巷幫進(jìn)行充填，實現(xiàn)了后采工作面繼續(xù)應(yīng)用此巷道；蔡德寶、曾朝臣在永煤集團(tuán)城郊煤礦完成了復(fù)雜條件下綜采工作面長距離沿空留巷技術(shù)，城郊煤礦工作面推進(jìn)困難，技術(shù)改造后采用長距離沿空留巷技術(shù)，成功甩掉了構(gòu)造帶，做到了邊生產(chǎn)邊改造，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

但是傳統(tǒng)的沿空留巷方式充填體極易發(fā)生應(yīng)力集中，留巷支護(hù)成本提高，不符合礦山經(jīng)濟(jì)效益，在此基礎(chǔ)上，何滿潮院士提出了切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，并研發(fā)了恒阻大變形錨桿和定向預(yù)裂爆破技術(shù)，該技術(shù)無需預(yù)留煤柱，很好的解決了以往沿空留巷存在的應(yīng)力集中問題[1]。本文以曹家灘煤礦122109工作面為工程背景，對切頂卸壓沿空留巷開采技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究。

1 工程概況

曹家灘煤礦122109工作面是該礦首個綜采放頂煤工作面，位于12盤區(qū)2-2煤開拓大巷的西側(cè)，開采煤層2-2煤。工作面范圍：南、北側(cè)為未開采的實體煤，開切眼位于井田西部邊界，順槽開口位于12盤區(qū)大巷保護(hù)煤柱內(nèi)。工作面面長260 m，推進(jìn)長度約6 004 m，開采面積約1.56 km2，儲量約2431.48萬t。

工作面煤層賦存條件簡單，可采2-2煤,煤種為不粘煤，煤層厚11.55～12.03 m，平均厚11.8 m，煤層傾角0°～4°。工作面范圍內(nèi)煤層底板標(biāo)高為+959.81～+972 m之間，煤層埋藏深度為294.5～341 m之間，平均埋深318 m左右。為了解決該礦巷道掘進(jìn)工程量大以及工作面采出率低等問題，采用沿空留巷的方法，將122109工作面運輸巷保留下來，作為下一工作面的回風(fēng)巷，其平面布置見圖1。

圖1 工作面平面置示意圖

工作面外回風(fēng)順槽沿2-2煤層底板掘進(jìn)，留設(shè)500 mm底煤，采用矩形斷面，斷面凈寬5 500 mm，凈高4 200 mm，凈斷面積23.1 m2，錨網(wǎng)支護(hù)，頂部加錨索。

122109綜采放頂煤工作面巷道布置4條，即1條主運順槽、1條輔運順槽和2條回風(fēng)順槽。其中主運順槽和輔運順槽平行布置于工作面一側(cè)，2條回風(fēng)順槽（內(nèi)回風(fēng)順槽、外回風(fēng)順槽）平行布置于另一側(cè)，工作面兩側(cè)外順槽將作為下一個工作面的順槽使用。

主運順槽內(nèi)裝備可伸縮膠帶輸送機(jī)運輸煤炭，敷設(shè)有排水、壓風(fēng)、消防灑水管路、照明、通訊及信號電纜，兼作進(jìn)風(fēng)和工作面人員行進(jìn)的通道。

輔運順槽為工作面的進(jìn)風(fēng)巷，敷設(shè)有排水、消防灑水管路、壓風(fēng)、注氮、通訊、照明及電纜，作為工作面材料和設(shè)備的運輸通道，同時作為工作面進(jìn)風(fēng)和工作面人員行進(jìn)的通道。

內(nèi)回風(fēng)順槽為工作面的回風(fēng)巷，敷設(shè)排水、壓風(fēng)、消防灑水管路、通訊及信號電纜，兼作工作面人員行進(jìn)的通道。

外回風(fēng)順槽為工作面的回風(fēng)巷，敷設(shè)排水、壓風(fēng)、黃泥灌漿、消防灑水管路、通訊及信號電纜，兼作工作面人員行進(jìn)的通道。

2 現(xiàn)場實施方案

2.1 巷道圍巖結(jié)構(gòu)分析

沿空留巷技術(shù)雖然能提高煤炭回采率，減小巷道開掘量，但是采用該技術(shù)會導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力增加，從而使變形量增加，因此，保持圍巖的穩(wěn)定性是沿空留巷能否成功的關(guān)鍵所在。必須對巷道的圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，巷道的圍巖穩(wěn)定性取決于多種因素，需要了解煤層的頂?shù)装鍘r性情況，122109綜放工作面開采煤層情況見表1?？梢园l(fā)現(xiàn)頂板巖性強(qiáng)度較高，夾層較少，這有利于對頂板的支護(hù)[2]。

從表1可以發(fā)現(xiàn)，頂板位置的基本頂和老頂多為細(xì)粒砂巖和粉砂巖，這種巖性強(qiáng)度較高，夾層較少，且直接頂厚度位于1.98～7.65 m，厚度較厚，基本頂厚度在1.38～10.3 m之間，頂板整體比較穩(wěn)定，這有利于對頂板的支護(hù)，所以可以采用沿空留巷技術(shù)。

表1 工作面煤層賦存特性表

周期來壓是導(dǎo)致圍巖破壞的重要因素，由于厚層頂板難以垮落，采煤工作面周期來壓步距大，礦壓顯現(xiàn)劇烈。工作面初次來壓是煤層采出后，基本頂失去穩(wěn)定，基本頂?shù)谝淮纹茐男纬傻膲毫Γ芷趤韷菏腔卷斨芷谛云茐男纬傻膲毫?。未進(jìn)行開采活動時，巷道頂板完整，為固支梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)開采活動開始后，巷道基本頂受采動應(yīng)力和重力影響，彎矩變大，頂板下層，繼續(xù)開采，頂板出現(xiàn)斷裂，出現(xiàn)基本頂C，此時基本頂A和B為一個整體，還未破斷，如圖2所示。隨著開采的持續(xù)進(jìn)行，采空區(qū)上部受開采影響范圍增大時，在沒有支撐的情況下，上部發(fā)生大的下沉，但煤柱測上部覆巖由于有部分支撐而下沉較小，覆巖兩邊受力不穩(wěn)定而發(fā)生破斷，形成基本頂B，由于基本頂B不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)兩幫收縮等問題，不利于開采的正常進(jìn)行，并且基本頂B的出現(xiàn)會導(dǎo)致巷道附近頂板失去穩(wěn)定，巷道將出現(xiàn)大的破壞，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致礦井不能正常生產(chǎn)，因此沿空留巷能否成功的關(guān)鍵所在，在于基本頂B是否形成，以及巷道頂板是否能形成短支梁結(jié)構(gòu)[3]。

圖2 頂板結(jié)構(gòu)破壞圖

2.2 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)巷道圍巖結(jié)構(gòu)分析，巖空留巷能否成功的關(guān)鍵所在，在于基本頂B能否形成，巷道頂板能否形成短支梁結(jié)構(gòu)。在煤炭深度較大進(jìn)行開采時，由于圍巖本身就處于高應(yīng)力狀態(tài)，在加上煤炭開采時產(chǎn)生的采動影響，使得巷道圍巖應(yīng)力比原巖應(yīng)力要大許多，從而致使礦壓顯現(xiàn)劇烈，如何保持巷道圍巖的長期穩(wěn)定，是沿空留巷需要解決的問題之一。在此基礎(chǔ)上，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）何滿潮院士提出了切頂卸壓留巷技術(shù)。切頂卸壓巖空留巷技術(shù)的原理和主要技術(shù)環(huán)節(jié)為[4]：

1）綜采工作面開采前，應(yīng)在靠近采場的巷道頂板上鉆爆孔，掩埋炸藥。炸藥起爆后，頂板會產(chǎn)生定向裂縫，削弱巷道與采空區(qū)上方下關(guān)鍵層的機(jī)械連接，避免破壞。綜采工作面開采后，巷道上方會出現(xiàn)短壁梁結(jié)構(gòu)。此時，應(yīng)采取加強(qiáng)措施，提高強(qiáng)度、穩(wěn)定性和承載能力。

2）爆破后，加強(qiáng)附近巷道的支撐，起到固邊固頂?shù)淖饔谩?/p>

3）綜采工作面開采后，在切縫沿線安裝可伸縮工字鋼、金屬網(wǎng)、防風(fēng)布等擋尾設(shè)備。預(yù)留巷道段采用單柱吊棚臨時頂板支撐。采空區(qū)上方巖層及時坍塌，形成采空區(qū)墻，防止采空區(qū)內(nèi)的煤矸石進(jìn)入預(yù)留巷道。

4）采空區(qū)煤矸石崩塌壓實后，預(yù)留巷道段圍巖結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定。此時，暫時的支持可以逐步取消。為了阻斷預(yù)留巷道與采空區(qū)段之間的空氣循環(huán)，應(yīng)對采空區(qū)邊壁進(jìn)行噴漿處理，以完成沿空留巷。流程如圖3所示。

圖3 切頂卸壓沿空留巷工藝流程

采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)時，要求所留巷道頂板有一定的變形量，但是仍要有足夠的強(qiáng)度，這樣才能保證在采空區(qū)塌落時巷道的穩(wěn)定與安全，一般的錨桿滿足不了這種要求，122109工作面采用何滿潮院士研發(fā)的恒阻大變形錨桿，這種錨桿具有負(fù)泊松比效應(yīng)，可實現(xiàn)恒定阻力下的大張拉變形，有效減少頂板沉陷，滿足沿空切頂卸壓和留巷要求，而且恒阻大變形錨桿價格實惠，符合經(jīng)濟(jì)效益。沿空留巷的另一項關(guān)鍵技術(shù)是定向預(yù)裂爆破技術(shù)。定向預(yù)裂爆破技術(shù)就是通過一些方法使爆炸產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力沿徑向方向擴(kuò)散，并且持續(xù)擴(kuò)展，形成預(yù)期的斷裂面，斷裂面可以切斷巷道與上部圍巖的聯(lián)系，這樣上部圍巖產(chǎn)生的應(yīng)力就不會影響巷道，使留巷段圍巖應(yīng)力環(huán)境得到改善，確保留設(shè)巷道的穩(wěn)定性[5-7]。

2.3 切頂卸壓沿空留巷頂板控制

正常情況下，應(yīng)及時用機(jī)器移動車架來支撐屋面。采煤機(jī)割煤后，先移動機(jī)架，再移動輸送機(jī)。采煤機(jī)的正常車架運動應(yīng)落后于采煤機(jī)后滾筒3～5個車架。屋面破損時，應(yīng)跟隨前輪提前移動車架或手動移動車架，即發(fā)現(xiàn)墻體嚴(yán)重、端面距離超標(biāo)時，提前移動車架，再進(jìn)行其他作業(yè)。該過程是框架移動→采煤→放頂煤→移動前部輸送機(jī)→移動后部輸送機(jī)，框架移動步長為865 mm。

2.3.1 初次來壓的頂板管理

1）初次來壓前，工作面做好壓力監(jiān)測預(yù)報，及時支護(hù)。采煤機(jī)割煤后，及時移架，使支架初撐力達(dá)標(biāo)。

2）根據(jù)工作面的地質(zhì)條件、煤層賦存條件及頂板的巖性，根據(jù)需要編制強(qiáng)制放頂專項措施，并嚴(yán)格按照作業(yè)規(guī)程操作，防止工作面老頂初次來壓對支架造成破壞，影響工作面正?；夭?。

3）依據(jù)煤礦頂板動態(tài)在線監(jiān)測情況，掌握工作面來壓規(guī)律，并隨時觀測工作面支架壓力變化情況，當(dāng)工作面支架來壓，信號明顯時，立即匯報當(dāng)班跟班人員，做好老頂初次來壓期間工作面的頂板管理，并按計劃正常進(jìn)行推采。

4）回采過程中，要隨時監(jiān)測和掌握工作面支架的壓力情況，直至工作面老頂初次來壓結(jié)束，進(jìn)入正常回采階段。認(rèn)真記錄初次來壓期間每班礦壓顯現(xiàn)情況，每班結(jié)束形成由工作面推進(jìn)位置采高情況、煤壁片幫情況、架后懸頂情況、煤炮情況、預(yù)計老頂初次來壓距離等詳細(xì)數(shù)據(jù)的觀測報表，并向礦相關(guān)科室、領(lǐng)導(dǎo)每班匯報。

2.3.2 初次來壓過后及周期來壓期間的頂板管理

1）初次來壓過后進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查研究，安全無隱患后工作面進(jìn)行正常回采。

2）周期來壓期間工作面移架要及時，液壓支架必須達(dá)到初撐力，及時支護(hù)頂板，護(hù)好煤幫，防止片幫傷人。

3）在來壓期間，回采時要保證液壓支架的支護(hù)狀態(tài)良好，接頂嚴(yán)密，初撐力不低于泵站出口壓力值的80%，采用鄰架操作及時移架，緊跟前滾筒移架，以利于頂板維護(hù)。

2.3.3末采及回撤期間頂板管理

1）工作面與主回撤通道貫通前20 m，要對回撤通道內(nèi)的支護(hù)狀況進(jìn)行檢查，并對通道內(nèi)所設(shè)觀測點進(jìn)行測量，對比回撤通道的下沉量，確保所有支護(hù)設(shè)施良好。

2）工作面距主回撤通道15 m時，工作面生產(chǎn)期間人員禁止進(jìn)入回撤通道內(nèi)；工作面檢修期間，除巡檢支護(hù)人員外其他人員禁止進(jìn)入回撤通道內(nèi)。

3）③工作面推至停采線前，若煤壁與停采線不能互相平行，應(yīng)提前將工作面調(diào)正。

4）④工作面推至停采線時，將支護(hù)空間縮小至最小控頂距，清掃浮煤，加固工作面支護(hù)，清理上下出口，保持完好暢通。

5）工作面停采時編制停采措施，加強(qiáng)頂板管理。

3 沿空留巷效果分析

為了分析122109運輸巷沿空留巷圍巖控制效果，對試驗段巷道頂板離層和圍巖變化量進(jìn)行監(jiān)測。頂板離層監(jiān)測儀安設(shè)在巷道的中部或交岔點的中心位置，掘進(jìn)巷道每100 m安裝1臺頂板離層監(jiān)測儀。掘進(jìn)時，在巷道交岔口、地質(zhì)構(gòu)造前后、頂板破碎段等處要安裝頂板離層監(jiān)測儀，并加強(qiáng)監(jiān)測。掘進(jìn)巷道的頂板離層監(jiān)測儀，新安裝的頂板離層儀應(yīng)每天觀察1次。該離層儀的淺基點和深基點分別距巷道頂板表面2.6 m和7.7 m?，F(xiàn)場觀測表明，留巷期間，工作面前方巷道頂板基本不存在隔層，留巷后各監(jiān)測點隔水值變化總體較小。選擇典型分離監(jiān)測點記錄的分離值進(jìn)行分析，其中深基點的分離層顯示為0，淺基點的變化如圖4所示。

圖4 留巷期間工作面后方巷道頂板離層變化特征

1）隨著工作面的開采，頂板離層大小呈現(xiàn)階躍變化過程。隨著監(jiān)測點到工作面距離的增加，頂板離散量也隨之增大。

2）工作面后30 m內(nèi)頂板離層變化明顯，37 m后頂板離層變化不大。

3）在監(jiān)測滯后工作面60 m范圍內(nèi)，預(yù)留巷道頂板距最大值為15.5 mm，最小值為5 mm?？傮w控制比較好。

4 結(jié)論

1）通過對巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征的分析，認(rèn)為可行的爆破技術(shù)和有效的巷道支護(hù)是保證巷道保留效果的關(guān)鍵。通過定向爆破，減小了沿空留巷頂板懸臂結(jié)構(gòu)面積，使其上方的關(guān)鍵巖石斷裂位置向采空區(qū)側(cè)移動，切削出的煤矸石充填采空區(qū)，提高了留巷圍巖的應(yīng)力，并利用該護(hù)巷結(jié)構(gòu)在采空區(qū)側(cè)形成了新的巷道邊壁。

2）曹家灘煤礦122109綜放工作面采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)后，通過頂板離層監(jiān)測儀發(fā)現(xiàn)，運輸巷沿空留巷圍巖控制整體效果良好，有力的緩解了礦井掘進(jìn)銜接的矛盾，減少了巷道采掘量。