密集孔切頂卸壓技術(shù)在無煤柱開采中應(yīng)用研究

宋 權(quán)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤大同有限公司，山西 大同 037001）

0 引言

隨著煤礦開采工作不斷深入和增加，煤礦開采工作中存在的問題也逐漸增加，其中因?yàn)殚_采技術(shù)問題，造成了煤炭資源浪費(fèi)現(xiàn)象，以及煤柱的留設(shè)問題增加了安全隱患。無煤柱開采技術(shù)應(yīng)用后，煤炭資源的回采率得到了顯著提升，能夠最大程度地避免留設(shè)的煤柱對(duì)下伏工作面產(chǎn)生的集中壓力帶來的一些安全隱患，同時(shí)又能少掘巷道，緩解采掘緊張壓力。作為實(shí)現(xiàn)綠色高效、安全經(jīng)濟(jì)的一種開采方法，近年來無煤柱開采技術(shù)受到了各界的重視。

過去，許多礦井在無煤柱開采中，采用在采空區(qū)充填固體（膏體）及混凝土充填泵高壓噴射混凝土充填墻體沿空留巷，無法解決應(yīng)力集中的問題，并且這種留巷速度較慢，成本較高。利用密集孔切頂卸壓技術(shù)沿空留巷，充分利用巖石的特性，改變頂板的受力狀態(tài)，進(jìn)而創(chuàng)造出一種全新的結(jié)構(gòu)弱面，讓開采中的頂板根據(jù)最初設(shè)定的高度自動(dòng)垮落形成巷幫，能夠有效解決工作面采空區(qū)頂板壓力的影響，大大降低了沿空留巷的巷道變形量。目前這種密集孔切頂卸壓技術(shù)在薄煤層無煤柱開采中得到了廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 工作面概況

8514工作面位于7號(hào)層305盤區(qū)，工作面北部為305回、305皮、305軌3條盤區(qū)大巷，南部為實(shí)體煤，西部為8512綜采工作面采空區(qū)，東部為8516準(zhǔn)備工作面。上覆28～35 m對(duì)應(yīng)3號(hào)層8103、8105工作面采空區(qū),均為長(zhǎng)壁垮落法開采，采厚3.0～3.4 m；上 覆44～60 m對(duì) 應(yīng)2號(hào) 層8105、8107、8109、8111、8302、8304、8306工作面采空區(qū)，開采方法均為刀柱式采煤，采厚4.1～5.7 m；下伏為11-1號(hào)層8127工作面采空區(qū)，與11-1號(hào)層間距約65 m，為長(zhǎng)壁垮落法開采；對(duì)應(yīng)地面位置無建筑物，地表為黃土臺(tái)地。地面標(biāo)高為1 221～1 233 m，工作面標(biāo)高為1 007～1 025 m，埋藏深度208～214 m。

8514工作面走向長(zhǎng)度710 m，傾向長(zhǎng)度135 m，面積95 850 m2；煤層屬于侏羅紀(jì)大同組7號(hào)層煤，煤層總厚為0.97～1.5 m，平均1.3 m，煤層賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，層理、節(jié)理較發(fā)育，屬近水平煤層，傾角0°～4°，平均2°，圖1為工作面巷道布置圖。

圖1 工作面巷道布置圖

1.2 煤層頂?shù)装迩闆r

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表1 煤層頂?shù)装逍誀畋?/p>

2 密集孔切頂卸壓原理和工藝

2.1 密集孔切頂卸壓原理

密集孔切頂卸壓就是在所留巷道內(nèi)靠近開采工作面一側(cè)的頂板按照一定的角度、深度、孔徑、間距施工密集鉆孔進(jìn)行切頂預(yù)裂。在回采的過程中，在頂板壓力的作用下，密集切頂卸壓孔對(duì)沿空留巷頂板形成切縫，沿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方向切斷工作面頂板與巷道頂板巖層的整體性、相互作用應(yīng)力，使巷道頂板形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。在保障沿空留巷頂板完整性的同時(shí)，減少沿空留巷巷道頂板壓力，減少巷道的變形，使工作面采空側(cè)頂板沿密集孔切縫充分垮落形成巷幫，實(shí)現(xiàn)隔離采空區(qū)，同時(shí)結(jié)合一部分巷旁錨索、單體柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及擋桿支護(hù)等技術(shù)，提高留巷的穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)了卸壓、留巷的目的。

2.2 密集卸壓孔參數(shù)

密集孔切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)，這種改變巷道頂板受力狀態(tài)的方式，需要在施工前確定相應(yīng)的參數(shù)，才能夠更好地起到卸壓、預(yù)裂效果。關(guān)鍵參數(shù)包括切頂孔高度、切頂角度以及鉆孔間距。

2.2.1 切頂孔高度

在全面考慮開采巖體中的不同巖層的力學(xué)參數(shù)后，通過計(jì)算數(shù)值模擬模型得出的結(jié)果，綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)切頂后垮落的頂板對(duì)采空區(qū)充分起到支撐作用并形成巷幫，最終確定相應(yīng)的切頂高度為6 m。

2.2.2 切頂角度

切頂角度的選擇，能夠?qū)ο锏赖膰鷰r產(chǎn)生一定的影響，通過數(shù)值模擬計(jì)算模型，對(duì)不同切頂角度進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，選擇最有利于巷道穩(wěn)定的方案。一般切頂孔與水平方向夾角（傾向采空區(qū)側(cè)）為70°或者75°，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際選擇75°。

2.2.3 鉆孔間距

合理的鉆孔間距能實(shí)現(xiàn)在工作面回采后，沿密集卸壓孔方向形成預(yù)裂切縫面，同時(shí)又能夠減少施工鉆孔的工程量。這需要進(jìn)行實(shí)地的試驗(yàn)判斷，對(duì)不同的孔間距進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和觀察，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，確定具體的孔間距參數(shù)。根據(jù)開采經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)250、350、500 mm 3個(gè)孔間距參數(shù)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從現(xiàn)場(chǎng)效果確定選取間距350 mm、孔徑50 mm，圖2為密集孔切頂卸壓預(yù)裂效果圖。

圖2 密集孔切頂卸壓預(yù)裂效果圖

2.3 施工工藝

2.3.1 沿空留巷補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)

7號(hào)層2514巷道矩形斷面，凈寬4.8 m，凈高2.6 m，永久支護(hù)采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)。錨桿采用18 mm×1.8 m長(zhǎng)的左旋無縱筋螺紋鋼，排間距1 m×1 m，共5排。錨索采用21.8 mm×8 m的鋼絞線，距采空區(qū)側(cè)0.7 m每米布置1根錨索；距兩幫1.8 m的巷中每2 m布置2根錨索；距實(shí)體側(cè)0.7 m每3 m布置1根錨索，共布置4排，為413231布置，圖3為2514巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圖。

圖3 2514巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圖

2.3.2 施工密集切頂卸壓孔

施工完成補(bǔ)強(qiáng)錨索后，在8514工作面回采前，超前工作面一定距離，對(duì)2514沿空留巷采空側(cè)距巷幫0.2 m施工切頂卸壓孔，孔距0.35 m,孔深6 m，孔徑50 mm，夾角傾向采空區(qū)側(cè)75°。

2.3.3 沿空留巷液壓支柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及擋桿支護(hù)

隨工作面推進(jìn)，沿空留巷采取密集單體支柱、金屬網(wǎng)擋矸支護(hù)方式。支護(hù)采用DW28-250/100X單體液壓支柱配合0.8 m長(zhǎng)π型梁進(jìn)行支護(hù)，靠近采空區(qū)側(cè)支設(shè)3排單體，排距為0.6 m，第一排（距采空區(qū)0.4 m）、第二排柱距0.5 m，第三排柱距1 m，每2根單體配合1根0.8 m長(zhǎng)的π型梁?？拷鼘?shí)體煤支設(shè)一排單體柱（距實(shí)體煤0.6 m），柱距為1 m，每根單體配合1根0.8 m的π型梁。在密集支柱的采空側(cè)鋪設(shè)規(guī)格為2.2 m×1.1 m金屬網(wǎng)擋矸，同時(shí)配合工字鋼（道軌）進(jìn)行支護(hù)。每排所有單體柱用防倒裝置相連接。圖4為擋桿效果圖，圖5為2514巷單體液壓支柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果圖，圖6為回采后2514巷擋矸支護(hù)效果圖。

圖4 擋桿效果圖

圖5 2514巷單體液壓支柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果圖

圖6 回采后2514巷擋矸支護(hù)效果圖

2.3.4 礦壓觀測(cè)及回撤單體柱

為進(jìn)一步加強(qiáng)沿空留巷礦壓監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，工作面沿空留巷除正常對(duì)頂板離層儀觀測(cè)外，增設(shè)單體液壓支柱礦壓表和自制的頂?shù)装逡平坑^測(cè)儀。每20 m設(shè)置1組，每天進(jìn)行觀測(cè)，建立觀測(cè)臺(tái)帳，并對(duì)礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)礦壓觀測(cè)分析結(jié)果，沿空留巷在距工作面150 m以外的壓力穩(wěn)定區(qū)，對(duì)靠實(shí)體煤一側(cè)單體液壓支柱進(jìn)行回撤，隔1根回撤1根（見二回一）?；爻泛箜?shù)装逡平亢晚敯逑鲁亮繜o明顯變化。

在回采8516工作面時(shí)，按照回撤超前支護(hù)的方法，回撤單體柱。在回收單體柱前，必須認(rèn)真檢查作業(yè)地點(diǎn)周圍的頂板情況，排除一切不安全隱患，徹底檢查好作業(yè)地點(diǎn)的環(huán)境，同時(shí)處理好機(jī)道內(nèi)的傘檐、片幫，嚴(yán)格執(zhí)行敲幫問頂制度。回撤單體液壓支柱必須按照由古空側(cè)向支護(hù)側(cè)依次回撤，嚴(yán)禁無順序回撤。在回單體柱前作業(yè)人員需提前采用專用長(zhǎng)柄箍固定住單體柱（防止單體住卸液后傷人），然后回柱人員必須站在支護(hù)完整且安全的地點(diǎn)使用長(zhǎng)柄工具操作單體柱卸液，當(dāng)單體柱降下后，使用專用長(zhǎng)柄箍將單體柱撤回。單體住降下以后，人員站在支護(hù)完整且安全的地點(diǎn)用前期固定好的長(zhǎng)柄箍將已經(jīng)降柱的單體柱回收出來放到指定位置碼放整齊。回收花邊梁時(shí)，人員站在支護(hù)完整且安全的地點(diǎn)用長(zhǎng)柄工具鉤取至安全地點(diǎn)進(jìn)行回收，嚴(yán)禁人員擅自進(jìn)入采空區(qū)進(jìn)行取柱或柱帽等。圖7為礦壓觀測(cè)實(shí)圖。

圖7 礦壓觀測(cè)實(shí)圖

2.3.5 尾端頭懸板治理

工作面尾端頭為上個(gè)工作面的沿空留巷巷道，懸板不易垮落，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，回采時(shí)提前在尾巷打密集孔進(jìn)行切頂卸壓。切頂卸壓孔垂直布置與巷道，每15 m打1組，每組2排，排間距500 mm×300 mm，孔深6 000 mm，孔徑50 mm，與頂板夾角垂直。通過密集孔進(jìn)行切頂卸壓，工作面尾端頭懸板小于50 m2，頂板垮落充分。

2.3.6 工作面切眼初采預(yù)裂

初采時(shí)對(duì)工作面切巷進(jìn)行密集孔預(yù)裂，切頂預(yù)裂孔布置切眼巷南幫（預(yù)裂孔距南幫500 mm），每隔0.3 m布置1個(gè)切頂預(yù)裂孔，從頭巷、尾巷往工作面以里各布置25 m。規(guī)格為：眼距為300 mm，孔深6 000 mm，孔徑50 mm，與頂板夾角垂直。

3 效益分析

7號(hào)層8514工作面走向長(zhǎng)度710 m，2514巷道為沿空留巷，是8516和8514工作面共用巷道。8516工作面可少掘一條4.8 m×2.6 m巷道約710 m，每米巷道成本為3 800元，節(jié)省成本269.8萬元；無煤柱開采可多采出煤量2.9萬t，按煤價(jià)400元/t，可增收1 160萬元；沿空留巷需支設(shè)單體支護(hù)3 300根，費(fèi)用約396萬元。綜合計(jì)算每個(gè)綜采工作面可增收1 033.8萬元。

2514巷道通過密集孔切頂卸壓實(shí)現(xiàn)了沿空留巷，只施工卸壓鉆孔，未采用爆破的方式，取得了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采。初步估算可節(jié)省爆破材料費(fèi)用約4萬元。

4 存在的問題、原因分析及治理方案

4.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施存在的問題

1）沿空留巷巷道在開采下一個(gè)工作面時(shí)，部分區(qū)段礦壓顯現(xiàn)明顯，個(gè)別區(qū)域巷道變形較大，靠采空側(cè)擋矸支護(hù)的工字鋼（道軌）被壓彎，部分嚴(yán)重地段甚至出現(xiàn)失去支護(hù)作用。及時(shí)采取補(bǔ)打錨索或架設(shè)有腿金屬棚的方法加強(qiáng)支護(hù)。超前支護(hù)除原有沿空留巷支設(shè)的單體支柱外，增加一排單體支柱，長(zhǎng)度為30 m。后期考慮采用可伸縮U型鋼進(jìn)行擋矸支護(hù)。

2）沿空留巷巷道使用擋矸網(wǎng)配合廢舊風(fēng)帶治理采空區(qū)漏風(fēng)問題，后期推廣使用水泥毯封堵采空區(qū)，水泥毯澆水后封堵效果更好，采空區(qū)封堵嚴(yán)密，無氣體超限、無自然發(fā)火征兆。

4.2 原因分析

通過在沿空留巷施工密集切頂泄壓孔形成裂縫，切斷了采空區(qū)頂板與沿空留巷頂板的原有整體性，切斷了兩者之間的物理聯(lián)系，增加了采空區(qū)頂板的的自由面。在開采方向，隨著工作面支架前移，工作面直接頂板隨采隨落，由于垮落的巖石具有碎漲性，垮落巖石的高度大于工作面煤層開采高度，矸石在擋矸支護(hù)等作用下，形成巷道臨時(shí)巷幫。隨著工作面的向前推進(jìn)基本頂彎曲下沉、垮落，此時(shí)上覆巖層運(yùn)動(dòng)基本完成，原垮落的矸石在基本頂?shù)淖饔孟?，被逐漸壓實(shí)，形成了沿空留巷的采空區(qū)側(cè)永久性巷幫。巷道的頂板在錨桿、錨索及單體柱共同支護(hù)的作用下，保持基本穩(wěn)定，這樣就形成了沿空留巷。

在巷道側(cè)面方向，隨著工作面的向前推進(jìn)，上覆基本頂巖層彎曲下沉、斷裂，斷裂位置一般位于實(shí)體煤層中，斷裂的關(guān)鍵層一端由巷道一側(cè)的實(shí)煤體支撐，另一端由巷道另一側(cè)垮落的巖石支撐。由于實(shí)煤體的壓縮強(qiáng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垮落矸石的壓縮強(qiáng)度，造成上覆關(guān)鍵巖層出現(xiàn)非對(duì)稱性傾斜下沉。所以沿空留巷巷道的變形量一般是采空區(qū)側(cè)大于實(shí)體煤側(cè)。如果用可伸縮U型鋼支護(hù)，當(dāng)頂板下沉，U型鋼可通過縱向伸縮實(shí)現(xiàn)讓壓的作用，不會(huì)出現(xiàn)工字鋼（道軌）壓彎、斷裂失去支護(hù)的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

姜家灣煤礦因地制宜，結(jié)合本礦地質(zhì)條件“一面一策”，不斷優(yōu)化和完善沿空留巷施工工藝，由原來采用編織袋（矸石）填充方法優(yōu)化為用混凝土充填泵高壓噴射混凝土充填墻體沿空留巷。但是，上述方法存在留巷的巷道頂板壓力大，難管理，存在巷道變形嚴(yán)重、巷道維護(hù)困難、安全隱患大、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。采用密集孔進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷，以“切頂卸壓+補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)+回撤單體”為主的工藝實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采。該種工藝無需要進(jìn)行聚能管爆破作業(yè)，避免了放炮施工作業(yè)中存在安全風(fēng)險(xiǎn)。通過礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和巷道變形位移量實(shí)測(cè)，頂板最大下沉量為155 mm，底板最大底鼓量為78 mm，兩幫最大變形量為69 mm，留巷巷道斷面能夠滿足相鄰面使用。

總之，姜家灣礦采用密集孔切頂卸壓技術(shù)沿空留巷，不僅成功實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采，緩解了礦井采掘緊張的局面，達(dá)到了礦井精采細(xì)采。