鹿臺山煤礦切頂卸壓沿空留巷技術(shù)應(yīng)用

戎 鵬

（山煤國際能源集團股份有限公司，山西 太原 030006）

目前無煤柱開采技術(shù)主要有沿空留巷和沿空掘巷技術(shù)兩種。我國煤礦多采用留設(shè)窄煤柱進行沿空掘巷，此方式不但會浪費較多的煤炭資源，而且若煤柱寬度留設(shè)不合理，還會引起應(yīng)力集中，導致沿空巷道難以維護。而沿空留巷技術(shù)是在工作面回采后利用上一個工作面巷道進行維護服務(wù)于下一個工作面，和沿空掘巷比較優(yōu)點較多。現(xiàn)階段沿空留巷工藝主要分為構(gòu)筑充填體留巷與切頂留巷。其中切頂留巷技術(shù)是對頂板巖層進行主動控制，及時切頂卸壓，有效降低高應(yīng)力問題，為巷道提供安全穩(wěn)定的應(yīng)力環(huán)境［1-3］。

鹿臺山礦為高瓦斯礦井，沿空掘巷很難滿足高效安全生產(chǎn)的要求。以鹿臺山礦2202工作面開采、為確保2202軌道順槽的穩(wěn)定工程研究對象，對切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用情況進行深入分析與探討。

1 工程概況

圖1 工作面位置

鹿臺山煤礦2202工作面開采2#煤層，位于礦井一水平二采區(qū)。工作面面長160 m，傾斜推進長1 300 m。工作面布置情況如圖1所示，2202工作面位于礦區(qū)東北部，北部為本采區(qū)礦界，南部為采區(qū)回風大巷、皮帶大巷、軌道大巷，西部為2203工作面，東部為2201工作面（正在回采）。2#煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，平均厚度為2.2 m。頂?shù)装鍘r層情況：頂板自下而上分別為灰黑色砂質(zhì)泥巖，平均厚度為4.25 m，含植物化石；深灰色細粒砂巖，平均厚度為1.76 m，含黑色泥質(zhì)斑塊；灰黑色泥巖，平均厚度為1.5 m；灰色細砂巖，平均厚度為3.81 m。底板自上而下為黑色砂質(zhì)泥巖，平均厚度為3.54 m，局部含植物化石；深灰色細砂巖，平均厚度為4.7 m，以石英石為主，堅硬。

圖2 巷道支護

2202軌道巷布置在2#煤層中，斷面為寬4.4 m×高2.8 m矩形，掘進斷面積12.32 m2；呈南北向布置，沿煤層頂板掘進，巷道支護采用錨網(wǎng)索組合支護，支護斷面如圖2所示。

2 切頂卸壓分析

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)即在工作面留巷近回采一側(cè)，對工作面頂板巖層進行超前預(yù)裂爆破，沿特定方向進行切頂，降低礦山壓力，優(yōu)化巷道所處應(yīng)力環(huán)境。隨工作面推進不斷進行切頂卸壓，實現(xiàn)沿空留巷，保證巷道的穩(wěn)定。工作面推進過程中，根據(jù)巷道所處狀態(tài)，分為超前切頂區(qū)、滯后臨時支護區(qū)、成巷穩(wěn)定區(qū)，如圖3所示。

圖3 切頂卸壓沿空留巷支護分區(qū)

超前切頂區(qū)位于工作面推進最前方，在此區(qū)域內(nèi)進行預(yù)裂爆破及頂板卸壓后，及時針對巷道頂板圍巖進行補強支護，補強支護應(yīng)在工作面推進面經(jīng)過前完成，防止受到超前支承壓力的影響。工作面推進過程中，煤炭資源回采后，頂板沿預(yù)定的切頂線垮落至穩(wěn)定需要一段時間，此區(qū)域需針對頂板進行臨時支護和巷幫擋矸支護，該區(qū)域大多位于工作面后200 m范圍。成巷穩(wěn)定區(qū)位于工作面最后方，隨工作面的推進，巷道距離工作面較遠時，此時工作面頂板已垮落穩(wěn)定，對巷道影響較小，此區(qū)域只需巷幫擋矸支護即可，頂板臨時支護可以撤出［4-5］。

2202工作面軌道巷采用以“超前預(yù)裂切縫+頂板補強支護+巷幫擋矸防護+滯后臨時支護”為主體的方案設(shè)計：通過超前預(yù)裂爆破，將巷道頂板巖層與工作面頂板巖層進行分離，切斷聯(lián)系，降低工作面上方頂板巖層垮落對巷道影響的同時有利于采空區(qū)頂板沿切縫垮落形成巷幫；通過頂板補強支護，加固巷道頂板厚短懸臂梁結(jié)構(gòu)，增加結(jié)構(gòu)強度，保證巷道頂板穩(wěn)定，減少頂板下沉；通過巷幫擋矸支護防止采空區(qū)矸石涌入巷道，減少巷道兩幫變形；通過頂板臨時支護支撐頂?shù)装?，保證在工作面后方周期來壓期間巷道的穩(wěn)定性，減少滯后臨時支護區(qū)內(nèi)頂?shù)装逡平浚_保留巷效果。根據(jù)上述思路，結(jié)合現(xiàn)場工程實際，擬定切頂卸壓設(shè)計方案。

3 切頂卸壓方案

3.1 超前預(yù)裂切縫

超前預(yù)裂切縫即在巷道和工作面頂板巖層之間進行預(yù)裂切縫卸壓，阻斷老頂之間的聯(lián)系，減小工作面采空區(qū)頂板巖層垮落對巷道的影響，切頂線如圖4、圖5所示。通過炮眼爆破進行切頂，進而實現(xiàn)頂板預(yù)裂切縫。

圖4 超前預(yù)裂切縫平面

圖5 超前預(yù)裂切縫剖面

3.2 鉆孔參數(shù)

（1）鉆孔位置。如圖6所示，鉆孔距離巷道回采側(cè)巷幫距離為S，根據(jù)切頂卸壓沿空留巷工程經(jīng)驗，距離S理論上應(yīng)越小越好，但需考慮鉆機的工作空間等因素，結(jié)合鹿臺山煤礦2202軌道巷鉆孔設(shè)備型號，確定鉆孔與回采側(cè)巷幫距離S取200 mm。

（2）鉆孔傾角α、β。傾角α是指鉆孔方向與水平方向的夾角（巷道斷面圖中），β是指鉆孔方向與豎直方向夾角（巷道中線剖面圖中），如圖7所示。兩個角度均應(yīng)考慮頂板鉆機施工、切縫效果、切頂后頂板懸露長度等因素，結(jié)合2202軌道巷頂板巖層條件，確定鉆孔α取90°，β取70°。

圖6 鉆孔位置

圖7 鉆孔傾角α、β

（3）切頂高度。影響沿空留巷穩(wěn)定性的有采空區(qū)巷道上方頂板殘留邊界及工作面端頭后方“弧形三角板”等兩個主要因素，兩因素控制條件均位于煤層上方基本頂細粒砂巖中。因此確定2202軌道巷切頂卸壓切縫高度應(yīng)達到細粒砂巖上方。根據(jù)煤層頂板巖層厚度及巖性，確定切頂高度為4.25 m的砂質(zhì)泥巖+1.76 m的細粒砂巖+1.50 m的泥巖+3.81 m的細粒砂巖的總厚度，總高度為11.32 m。

（4）鉆孔深度。如圖7所示，預(yù)裂切縫鉆孔深度應(yīng)結(jié)合工作面頂板巖層條件，由前面分析可知，通過預(yù)裂爆破需將工作面上方細粒砂巖完全切斷，進而減小頂板垮落對沿空留巷的擾動作用。

鉆孔深度H可通過如下臨界公式計算：

式中：0.1為切縫鉆孔穿透基本頂細粒砂巖厚度，取0.1 m；α為鉆孔與豎直方向的夾角，取90°；β為鉆孔與豎直方向的夾角，取70°；H0為切頂高度，取11.32 m。

代入計算可得，鉆孔深度為12.2 m。

（5）鉆孔直徑和鉆孔間距。根據(jù)工程經(jīng)驗，鉆孔直徑越小，對周圍巖石破壞程度越小，更容易控制預(yù)裂鉆孔長度及形狀。根據(jù)鹿臺山礦所選鉆機及鉆頭設(shè)備型號，結(jié)合2202工作面頂板巖層厚度及巖性，以及相似工作面工程經(jīng)驗，確定鉆孔直徑取50 mm，間距取500 mm。

3.3 裝藥

結(jié)合鹿臺山煤礦工程經(jīng)驗，選用礦用三級乳化炸藥，炸藥直徑?=32 mm，長l=200 mm，重量m=200 g；裝藥段長度8 m，封孔段長度4.2 m，裝藥量2.4 kg。

4 補強支護方案

根據(jù)以往補強支護工程經(jīng)驗，結(jié)合2202軌道順槽頂板巖層分布情況，設(shè)計采用“主動支護+被動支護”的組合補強支護方案。主動支護為錨索補強支護，被動支護為巷道π型梁棚支護。設(shè)計在原有支護方式條件下，補打預(yù)應(yīng)力錨索，如圖8、圖9所示。錨索直徑為21.6 mm，長度為10.3 m，每排設(shè)置1根錨索，排距為1 m，錨索距煤柱側(cè)幫3.7 m，距回采側(cè)幫0.7 m，錨索錨固段應(yīng)保證至少插入基本頂細粒砂巖2/3處。被動支護采用在巷道走向布置π型梁棚，采用π型梁，長1.2 m，“一梁兩柱”布置，單體柱間距0.6 m，所有單體液壓支柱加穿鐵鞋，初撐力不小于100 kN，如圖9所示。

圖8 補強支護剖面

圖9 補強支護平面

5 工程實踐

2202軌道順槽工程實踐采用補強沿空留巷支護方案。在現(xiàn)場試驗情況為：在2202軌道順槽分別進行超前預(yù)裂切頂、錨索補強支護；同時對頂板離層情況進行觀測，頂板離層值最大為345 mm，出現(xiàn)在950 m處，主要因構(gòu)造導致，其他數(shù)值基本控制在300 mm內(nèi)，頂板離層量結(jié)果符合設(shè)計要求。

6 結(jié)論

通過在鹿臺山煤礦2202工作面2202軌道順槽的工程實踐，切頂卸壓與沿空留巷技術(shù)應(yīng)用取得了良好效果，主要體現(xiàn)在：

1）有效解決了鹿臺山礦當前面臨采掘接替緊張、采出率低、巷道支護困難和巷道掘進成本偏高等問題。

2）切頂卸壓鉆孔爆破技術(shù)參數(shù)比較合理，順槽補強支護方式效果顯著。