大采高工作面沿空留墻無煤柱開采技術(shù)應(yīng)用研究

張曉琳

(山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045300)

有些國家的礦井?dāng)?shù)量少，煤層采高小(3 m以內(nèi))，加之采深大、瓦斯含量高、壓力大，因此主要采用沿空留巷無煤柱開采，極少采用沿空掘巷技術(shù)。國內(nèi)廣泛采用沿空掘巷和沿空留巷無煤柱開采技術(shù)。沿空掘巷主要采用3～5 m的窄小煤柱，巷內(nèi)采用高強度、高剛度和高預(yù)應(yīng)力的錨網(wǎng)索粱支護，仍然存在丟失煤柱資源、支護成本高、巷道維護困難等問題[1-2]。沿空留巷技術(shù)從2007年至今，已經(jīng)在全國40多個煤礦的100多個采煤工作面進行了成功應(yīng)用，但是應(yīng)用范圍主要是在4 m以下的一次采全高工作面或者放頂煤工作面。寺家莊煤礦的主采煤層平均厚度在5.5 m左右，若采用沿空留巷方案，需要在采空區(qū)澆筑5 m高的墻體。為了回收煤柱及提高巷道掘進速度，決定采用沿空留墻無煤柱開采技術(shù)。

1 工程概況

寺家莊礦15117工作面井下位于+510 m水平，井下標(biāo)高+557～+613 m，地面標(biāo)高+940～+1 115 m，北部為盤區(qū)大巷，西部為15119工作面進風(fēng)巷(未掘)，東部為15117工作面高抽巷，平均煤層厚度5.48 m.15117工作面全長1 400 m，進風(fēng)巷沿15號煤層頂板掘進，煤層頂?shù)装鍘r性、厚度特征見表1.

表1 工作面頂?shù)装鍘r層特征

2 沿空留墻技術(shù)方案

2.1 15117進風(fēng)巷支護概況

15117工作面進風(fēng)巷掘巷階段寬、高分別為5.2 m、4.1 m，頂部采用“錨桿+錨索+W鋼帶+經(jīng)緯網(wǎng)”聯(lián)合支護；幫部采用“錨桿+錨索+W鋼護板+菱形網(wǎng)”聯(lián)合支護。頂部支護：錨桿間排距為960 mm×900 mm，頂部錨索 “二·二”方式布置在相鄰兩排鋼帶中間，頂部錨索、錨桿垂直于巷道頂板支護。錨索規(guī)格為D17.8 mm×7 200 mm，頂錨桿規(guī)格D20 mm×2 200 mm，經(jīng)緯網(wǎng)規(guī)格為5 500 mm×1 200 mm，W鋼帶規(guī)格為BHW235/280/6-6000-950-7.幫部支護：錨桿間距800 mm、排距900 mm，錨桿規(guī)格D18 mm×2 400 mm.聯(lián)網(wǎng)方式：聯(lián)網(wǎng)搭接100 mm，每隔100 mm用14號鉛絲雙股雙邊三花聯(lián)網(wǎng)一道，每道綁扎不少于3匝，鋪網(wǎng)時長邊垂直掘進方向。

2.2 沿空留墻技術(shù)方案詳情

15117進風(fēng)巷作為15117綜采工作面運輸巷使用，可用空間有限，為保障墻體充填具有足夠的空間，需首先在原有巷道斷面的基礎(chǔ)上對充填墻體一側(cè)進行擴刷，結(jié)合墻體參數(shù)設(shè)計要求，設(shè)計墻體高度5.5 m、厚度1.5 m，由此設(shè)計幫部擴刷深度2.5 m，擴刷區(qū)域起底深度1.5 m.擴刷起底工作完成后，在15117工作面回采前，沿起底槽腔灌注混凝土，灌注高度基本與巷道底板持平，作為沿空留墻的基礎(chǔ)，進行墻體柔膜混凝土的澆筑，在15117工作面回采完成后，緊貼沿空墻體進行15119進風(fēng)巷的掘進施工，具體流程如圖1(a)～(c)所示。

對15117進風(fēng)巷幫部擴刷后，裸露的頂板和煤幫需要進行支護，幫部和頂板均采用錨網(wǎng)索支護，頂板在靠近巷道邊緣一側(cè)補打1根錨桿，距原頂板錨桿490 mm，排距0.9 m，補打兩根錨索，距巷道右?guī)头謩e為290 mm、1 250 mm，排距0.9 m，錨桿、錨索規(guī)格與原頂板支護相同；幫部錨桿布置與原支護相同，并在巷道腰線附近補打1根錨索，排距2.7 m，規(guī)格D17.8 mm×5 200 mm.墻體參數(shù)：長度1 400 m、高度4 m、寬度1.5 m、強度C40，墻體基礎(chǔ)必須到煤層底板，用強度C40混凝土澆筑，為提高墻體穩(wěn)定性，采用對拉錨栓配合鋼筋梯子梁進行補強支護，對拉錨栓間排距0.8 m，15117進風(fēng)巷擴刷后及留墻支護詳情如圖1(d)所示。

圖1 15117進風(fēng)巷留巷留墻工藝(mm)

3 水力切頂卸壓方案設(shè)計

寺家莊煤礦15號煤層頂板巖層較堅硬且厚度較厚，15117進風(fēng)巷采用沿空留墻無煤柱開采技術(shù)，采場覆巖垮落結(jié)構(gòu)如圖2所示，采場頂板巖層垮落后，在碎脹效應(yīng)的作用下充填采空區(qū)，上部未充分垮落的巖層斷裂形成具有一定寬度和厚度的巖塊，工作面移動支承壓力及側(cè)向支承壓力影響下，墻體將承受較大的支承壓力，易導(dǎo)致墻體出現(xiàn)過度的破壞和變形，因此可通過人為切頂?shù)拇胧?，減小上覆關(guān)鍵塊的體積，進而減少墻體的支承壓力，保障墻體的穩(wěn)定和完整。

圖2 采場覆巖運動結(jié)構(gòu)圖

巖塊C與巖塊B呈鉸接結(jié)構(gòu)，巖塊B的自重基本由巷道頂板及墻體承擔(dān)，巖塊C自重的一部分會傳遞給巖塊B，巖塊B、C的長度越長、厚度越大，充填墻體的集中應(yīng)力越大，因此進行切頂參數(shù)的設(shè)計需首先確定巖塊B、C的破斷位置，可通過下式計算巖塊B、C的長度[3]：

(1)

(2)

式中：Lc為巖塊C的長度，m；b為老頂周期來壓步距，參考鄰近的15115回采工作面，取18.6 m；Lm為工作面傾斜長度，取185 m；Lb為巖塊B的長度，m；mr為巖塊B、C的厚度，根據(jù)15117工作面頂板巖層巖性，取22.5 m；RT為基本頂抗拉強度，為1.9 MPa；q為巖塊B所受的載荷，取2.0 MPa.

將上述參數(shù)代入式(1)、(2)可得，巖塊B、C的長度分別為25.3 m、22.2 m，進行切頂卸壓設(shè)計時，應(yīng)盡量將巖塊B和C進行壓裂，達到較好的卸壓效果。為使采空區(qū)頂板巖層及時垮落，減少頂板懸臂結(jié)構(gòu)的持續(xù)時間，并使采空區(qū)矸石能夠迅速填充采空區(qū)，切頂高度不應(yīng)小于頂板垮落帶高度，垮落高度計算公式為[4]：

(3)

式中：h為采空區(qū)頂板垮落帶高度，m；k為碎脹系數(shù)，通常為1.2～1.4,15117工作面頂板為復(fù)合頂板，碎脹系數(shù)取1.3；M為工作面采高，15117工作面平均煤層厚度為5.5 m.

由此可得，采空區(qū)頂板垮落帶高度為16.5 m，因此設(shè)計的切頂垂直深度應(yīng)大于該高度。結(jié)合15117進風(fēng)巷直接頂厚度3.5 m，老頂均厚22.5 m，切頂?shù)拇怪备叨葢?yīng)大于26 m，且寺家莊煤礦為煤與瓦斯突出礦井，設(shè)計采用水力壓裂工藝，鉆機的俯仰角不超過60°，因此，鉆孔的深度不小于30 m.

設(shè)計15117進風(fēng)巷壓裂鉆孔布置如圖3(a)所示，鉆孔總長度41.1 m，與水平方向夾角為50°，鉆孔直徑56 mm，施工位置距回采幫1.0 m，孔間距10 m，壓裂段深度11.7～41.1 m，每間隔1.5 m壓裂1次，高壓注水泵壓力為62 MPa，流量80 L/min，水力壓裂系統(tǒng)組成如圖3(b)所示。

圖3 水力壓裂鉆孔布置及工藝示意

4 應(yīng)用效果考察

4.1 留墻支護效果分析

寺家莊煤礦15117進風(fēng)巷實施墻體充填、水力壓裂切頂卸壓工藝措施后，在本工作面開采期間對其圍巖變形量進行監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)整理得到巷道圍巖典型的變形量變化曲線，如圖4(a)所示，可以看出，超前工作面約100 m，巷道底板底鼓量開始出現(xiàn)明顯的變形，隨后與回采工作面距離越來越小，巷道底頂板及兩幫的變形量均勻增大，直至工作面回采至測點附近，頂板最終下沉44 mm，底板最終底鼓105 mm，實體煤幫最終內(nèi)移59 mm，充填墻體幫最終內(nèi)移11 mm.相對于未采取水力壓裂切頂卸壓工藝前，巷道表面變形量減小70%以上，圍巖穩(wěn)定性顯著提高，卸壓效果良好。15117進風(fēng)巷鄰近回采工作面附近沿空留墻現(xiàn)場實況如圖4(b)所示，墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表面光潔平整，留墻效果較好。

圖4 15117進風(fēng)巷礦壓監(jiān)測結(jié)果及現(xiàn)場實況

4.2 經(jīng)濟、社會效益

根據(jù)寺家莊留小煤柱沿空留墻技術(shù)情況，沿小煤柱掘巷每天掘進6 m左右。采用柔?；炷裂乜樟魤夹g(shù)，減少巷道一幫的支護，可提高巷道掘進速度，巷道掘進速度預(yù)計可達9 m左右。采用沿空留墻無煤柱開采技術(shù)，回收采空區(qū)遺煤，降低采空區(qū)自然發(fā)火的概率。寺家莊礦屬于煤與瓦斯突出礦井，沿空留墻巷道掘進時處于卸壓區(qū)，降低了掘進時發(fā)生煤與瓦斯突出的概率，有利于礦井安全。采用該工藝多回采煤柱25 m(寬度)，可創(chuàng)造收益1.25億元。

5 結(jié) 語

文章以寺家莊煤礦15117進風(fēng)巷引進沿空留墻無煤柱開采技術(shù)為背景，結(jié)合礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件及開采技術(shù)條件，設(shè)計具體的沿空留墻工藝流程，確定沿空留墻支護方案，提出采用水力壓裂切頂卸壓工藝來提高沿空留墻效果，設(shè)計水力壓裂切頂?shù)木唧w參數(shù)，工程應(yīng)用實踐表明，本工作面回采期間，巷道圍巖穩(wěn)定性良好，充填墻體表面光潔平整，留墻效果良好。沿空留墻無煤柱開采技術(shù)在陽煤集團推廣后，以陽煤集團每年15號煤回采10個工作面計算，則可獲得經(jīng)濟收益12.5億元，為陽煤集團帶來較好的經(jīng)濟和社會效益，具有良好的推廣前景。