店坪煤礦切頂卸壓沿空留巷關鍵參數(shù)優(yōu)化研究

梁紅瑞

(山西焦煤霍州煤電集團 店坪煤礦，山西 呂梁 033199)

1 工程概況

霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦9-205運輸巷位于830水平南翼，東與830水平南翼軌道巷相通，西至井田邊界，南為實體煤，北與9-205回風巷相鄰(間隔251 m)，9號煤上部主要可采煤層為5號煤層，工作面上部對應5號煤為實體煤。9-205運輸巷設計全長1 392 m，主要擔負著9-205回采工作面的運輸、回風、行人等任務，同時留巷為9-203工作面服務。預計9-205工作面揭露煤層厚度為2.6～3.2 m，均厚2.9 m.工作面范圍內煤層、煤體結構較穩(wěn)定，含有2～3層夾矸，多為砂質泥巖，厚度為0.2～0.45 m.煤層傾角1～5°，屬于近水平煤層。煤層頂板為砂巖；底板為砂質泥巖。根據(jù)現(xiàn)場工況及工作面礦壓特征，9-205工作面地質條件良好，為保障9-205運輸巷留巷效果，并為切頂卸壓沿空留巷技術在該礦的應用推廣提供參考，本文以9-205運輸巷留巷為背景，對其支護方案進行優(yōu)化研究。

2 9-205運輸巷永久支護方案

根據(jù)9號煤層柱狀情況、830水平南翼膠帶巷、830水平南翼軌道巷、830水平南翼回風巷及9-207工作面掘進期間頂板情況觀測分析，9號煤層頂板為穩(wěn)定巖層，本工作面正常掘進期間為一般風險。9-205運輸巷支護：頂部采用高強錨網(wǎng)+W鋼護板+錨索、幫部采用錨網(wǎng)，巷道掘進斷面寬×高=5.0 m×3.0 m，具體支護參數(shù)如下：頂板錨桿規(guī)格D22 mm×2 400 mm，200 mm×460 mm×6.0 mm的W鋼護板、150 mm×150 mm×10 mm的沖壓托盤，球形墊圈及減磨墊圈，配套2支MSK2355型錨固劑，間排距為900 mm×1 000 mm.頂板錨索采用D21.8 mm×6 300 mm(1×19股)的鋼絞線，配套使用3支MSK2355樹脂錨固劑。垂直頂板布置，頂板每間隔1 200 mm施工1根，每隔1排布置4根。錨索必須緊跟工作面，并保證錨索錨入穩(wěn)定巖層內深度不小于1.5 m，所有錨索必須緊貼巖面，預緊力不得小于200 kN(27 MPa).兩幫錨桿規(guī)格同頂板，間排距800 mm×1 000 mm.鋪網(wǎng)時，網(wǎng)片要密貼巷壁，鋪設平整,聯(lián)網(wǎng)時網(wǎng)片搭接,采用專用聯(lián)網(wǎng)扣聯(lián)接，網(wǎng)搭接100 mm，聯(lián)網(wǎng)間距150 mm.錨桿、錨索布置如圖1所示。

圖1 9-205回風巷支護示意(mm)

3 切頂留巷關鍵技術參數(shù)設計

結合以往工程實踐及店坪煤礦鄰近礦井切頂卸壓沿空留巷技術應用案例[1-2]，其關鍵工藝參數(shù)包括爆破切頂參數(shù)、恒阻錨索布置參數(shù)、臨時補強支護參數(shù)，通過理論分析首先進行關鍵參數(shù)的分析。

3.1 切縫角度

通過聚能爆破預裂后，各個切縫鉆孔沿巷道軸線方向形成的裂縫導通或接近導通，使巷道頂板巖層形成較為平整的弱面結構，工作面回采后，頂板巖層在自身重力及覆巖壓力作用下垮落，采空區(qū)邊緣附近頂板沿預裂弱面斷裂垮落，采空區(qū)巖層垮落后在碎脹效應的影響下充填采空區(qū)，對沿空巷道頂板起到一定支承作用，其作用原理如圖2所示，因此切縫應當具有一定的角度，過小(α<10°)容易在爆破時影響錨索的穩(wěn)定，且不利于頂板的及時垮落；切頂角度不宜過大(α>25°)，否則將導致沿空巷道頂板懸頂距增大，不利于巷道穩(wěn)定。因此確定合理切縫角度為15～20°.

3.2 切頂高度

切頂高度(H切)=切縫深度(H縫)×cosα，要求切頂高度一定大于采空區(qū)垮落高度，垮落帶高度的計算原理為垮落的矸石碎脹后可基本充填采空區(qū)，得到切縫的深度計算公式：

H縫≥H煤/[(k0-1)cosα]

式中:k0為頂板巖層的初始碎脹系數(shù)，通常為1.4～1.8，計算時取1.4；H煤為煤層厚度，取2.9 m，切縫角度α為15°.計算可得H縫≥7.5 m.

由此可知，頂板切縫鉆孔深度不應小于7.5 m.結合9-205工作面頂板巖層巖性及厚度，確定切頂層位為直接頂及基本頂，切縫孔深為8.0 m.采空區(qū)垮落矸石最頂板作用示意如圖2所示。

圖2 采空區(qū)垮落矸石最頂板作用示意

3.3 切縫鉆孔間距

理想的聚能爆破切縫效果應是兩個預裂孔產生的裂隙弱面基本能夠貫通，判斷標準為兩個鉆孔爆破產生的圍巖損傷深度大于孔距：

(1)

式中：d為預裂鉆孔布置間距；rb為預裂爆破鉆孔半徑，取24 mm；λ為測壓系數(shù)，取0.3 ；p為原巖應力，取11.7 MPa；pb為預裂爆破對巖壁沖擊波壓力峰值，取2 000 MPa；σt為頂板巖層自身的抗拉強度，取2.4 MPa；D0為頂板巖層的初始損傷系數(shù)，取0.6；δ為爆破應力波衰減系數(shù)，取1.8.

將以上參數(shù)代入式(1)可得，d≤961.2 mm.根據(jù)頂板巖層巖性進行預裂鉆孔布置間距的設計，對于堅硬頂板孔間距通常為400～500 mm，符合頂板孔間距500～700 mm要求，9-205運輸巷頂板巖層屬于較堅硬的頂板，因此設計預裂孔間距為600 mm，符合要求。

4 切頂留巷關鍵參數(shù)現(xiàn)場實測研究

通過對9-205運輸巷切頂留巷相關參數(shù)理論分析后，結合其掘巷階段原有支護，確定采用預裂爆破+恒阻長錨索+臨時支護切頂留巷工藝，預裂鉆孔的設計參數(shù)遵照上文理論研究成果，恒阻長錨索采用10 m鋼絞線，恒阻值為33±2 t，共布置兩列恒阻錨索，第一組恒阻錨索靠近回采側，距回采幫800 mm，距預裂鉆孔400 mm，錨索布置排距900 mm；第二組恒阻錨索距回采幫1 600 mm，排距1 800 mm.切頂留巷的相關參數(shù)在工程實踐階段進一步優(yōu)化設計。

4.1 爆破參數(shù)確定

頂板預裂爆破切縫效果對于留巷效果具有重要影響。為確定最優(yōu)的爆破參數(shù)，在現(xiàn)場進行爆破試驗。經(jīng)過現(xiàn)場多組爆破試驗，確定爆破最優(yōu)參數(shù)：藥卷規(guī)格D32 mm×L200 mm，最優(yōu)裝藥結構4+3+2+0，最佳封孔長度2.0 m，每組爆破一次，連爆5孔。結合現(xiàn)場鉆孔窺視確定裝藥結構及爆破效果如圖3所示。

圖3 最優(yōu)裝藥結構及爆破效果示意

4.2 超前支護及滯后距離優(yōu)化分析

店坪煤礦工作面回采期間兩側回采巷道原超前支護距離多為60～80 m，9-205運輸巷應用切頂卸壓沿空留巷工藝，對頂板實施預裂爆破切頂后超前支承壓力的影響會減弱，且在安裝恒阻錨索后也會使巷道穩(wěn)定。因此通過研究9-205運輸巷在此條件下巷道超前工作面變化規(guī)律，對其超前支護距離進行優(yōu)化設計。通過現(xiàn)場實測得到圖4(a)所示結果，可以看出，工作面超前影響最大距離約為65 m，與工作面距離大于40 m時，巷道頂?shù)装濉蓭鸵平烤∮?0 mm；在與工作面距離小于40 m后，巷道表面變形量開始明顯增大，因此設計超前支護距離不小于40 m即可。

滯后回采工作面臨時支護的回撤時機同樣非常重要。9-205運輸巷采用單體柱+工字鋼+液壓抬棚支架支護方式，單體柱+工字鋼支護保留，液壓抬棚支架需在巷道圍巖穩(wěn)定后回撤。為確定最佳的回撤距離，將工作面后方巷道每20 m劃分為一個區(qū)段，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結果整理得到工作面后方巷道圍巖變形速率如圖4(b)所示。隨著與工作面距離的增大，巷道表面變形速度逐漸減小，在160～240 m階段基本穩(wěn)定，設計滯后工作面240 m(留巷50 d)時進行液壓抬棚支架的回撤。在240～300 m巷段圍巖變形速率出現(xiàn)輕微的上浮，之后圍巖基本穩(wěn)定，設計回撤距離合理。

圖4 巷道圍巖變形情況監(jiān)測

5 工程實踐效果評價

滯后回采工作面0～40 m范圍內是沿空巷道圍巖變形最為劇烈的巷段，設計采用單體工字鋼棚+液壓抬棚支架支護，現(xiàn)場實際效果如圖5(a)所示，有效控制了頂板的過度下沉。將上述研究結果應用在店坪煤礦9-205運輸巷，留巷圍巖穩(wěn)定后現(xiàn)場實況如圖5(b)所示，圍巖變形可控，巷道表面整體平面光潔，實現(xiàn)了中厚煤層切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術的應用，留巷效果較好。

圖5 現(xiàn)場實況示意

6 結 語

文章以切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術在店坪煤礦9-205運輸巷的應用為背景，綜合運用理論計算、礦壓監(jiān)測、現(xiàn)場實驗等方法，對切頂爆破、恒阻錨索補強、臨時支護等關鍵參數(shù)進行了優(yōu)化研究。理論計算確定切頂鉆孔合理深度為8.0 m，傾角為15°，鉆孔布置間距為600 mm.現(xiàn)場實驗研究確定切縫鉆孔最佳裝藥結構為4+3+2+0，爆破時一次連爆5孔。礦壓監(jiān)測研究確定超前支護距離不小于40 m即可，滯后臨時支護距離240 m.依照上述參數(shù)在9-205運輸巷實施沿空留巷，圍巖變形可控，留巷效果良好。