采煤工作面切頂卸壓留巷技術(shù)研究

劉長城

(汾西礦業(yè)高陽煤礦，山西 孝義 032300)

隨著煤炭資源的不斷開采，礦井采深不斷增加、開采地質(zhì)條件更趨復(fù)雜，面臨資源緊張等問題[1-2]。若采用傳統(tǒng)的留設(shè)保護(hù)煤柱方式護(hù)巷，煤柱寬度隨采深增加而不斷增寬，不僅會導(dǎo)致寶貴的煤炭資源浪費，而且留設(shè)煤柱段存在不同程度應(yīng)力集中問題，導(dǎo)致巷道圍巖變形量增大、破碎甚至誘發(fā)沖擊地壓、瓦斯突出等安全事故[4-6]。沿空留巷技術(shù)將采面巷道保留下來為鄰近的采面生產(chǎn)服務(wù)，不僅可降低巷道掘進(jìn)工程量及掘進(jìn)成本，而且可明顯緩解礦井采掘接替緊張局面[7]。切頂卸壓留巷技術(shù)是沿著采空區(qū)側(cè)施工切頂鉆孔，使得采空區(qū)頂板垮落后與留巷段頂板分開，達(dá)到改善留巷段應(yīng)力環(huán)境、快速留巷等目的[8-9]。文中就在結(jié)合以往切頂卸壓留巷研究成果基礎(chǔ)上，以山西某礦31103綜采工作面留巷為工程研究對象，對采面采用的切頂留巷技術(shù)進(jìn)行分析，以期為其他礦井類似情況留巷工作開展提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

31103綜采工作面位于礦井東翼3采區(qū)，具體位置見圖1.采面北側(cè)為圈定的31105采面(實體煤)、南側(cè)為回采完畢的31103采空區(qū)、東側(cè)為采區(qū)邊界、西側(cè)為采區(qū)集中巷道保護(hù)煤柱。31103綜采工作面設(shè)計傾向長度為186m、推進(jìn)長度為1 050 m，采面回采的11號煤層埋深在360～400 m，回采范圍內(nèi)11號煤層厚度均值4.7 m、傾角3～10°，煤層瓦斯含量較高，煤質(zhì)為發(fā)熱量高的優(yōu)質(zhì)無煙煤，開采經(jīng)濟(jì)效益顯著。11號煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖(厚1.8 m)、基本頂為中粒砂巖(厚12.6 m),直接底為粉砂巖(厚0.8 m)、基本底為泥巖(厚2.8 m)。采面瓦斯區(qū)域治理采用布置底抽巷方式，受瓦斯治理工程量大及治理耗時長等因素影響，礦井采掘接替局面較為緊張，常面臨無面可采局面。為降低瓦斯治理成本及回采巷道掘進(jìn)工程量，提出將切頂留巷技術(shù)應(yīng)用到31105膠帶巷中，將巷道保留下來為鄰近的31107綜采工作面生產(chǎn)服務(wù)。

圖1 31103綜采工作面位置示意

1.2 巷道支護(hù)方式

31103膠帶巷設(shè)計為矩形斷面(寬4.9 m、高3.2 m)，沿著開采的11號煤層頂板掘進(jìn)，圍巖采用錨網(wǎng)索+鋼筋梯子梁支護(hù)方式。頂板及巷幫支護(hù)錨桿均為D20 mm×2 500 mm螺紋鋼錨桿、頂板錨桿布置間排距均為800 mm×1 000 mm、巷幫錨桿布置間排距均為750 mm×1 000 mm，頂板支護(hù)用錨索為D17.8 mm×6 000 mm鋼絞線、布置間排距為1 600 mm×2 000 mm.鋼筋梯子梁用D14 mm圓鋼加工，排距1 000 mm.具體支護(hù)斷面見圖2.

圖2 膠帶巷原支護(hù)斷面(mm)

31103膠帶巷使用時間超過1 a，巷道頂板及巷幫巖體始終保持穩(wěn)定，頂?shù)装寮跋飵妥冃瘟枯^小，可滿足切頂留巷需要。

2 切頂留巷技術(shù)應(yīng)用

切頂卸壓留巷技術(shù)是首先使用恒阻大變形錨索強(qiáng)化留巷段頂板變形控制，后通過切頂鉆孔對留巷段頂板進(jìn)行預(yù)裂切頂，切斷留巷段頂板與采空區(qū)頂板間應(yīng)力傳遞路徑，從而改善留巷段受力環(huán)境。根據(jù)留巷段現(xiàn)場情況及以往研究成果，確定的31103膠帶巷切頂卸壓留巷工藝為：留巷段超前區(qū)補(bǔ)強(qiáng)加固—超前卸壓切頂—采面端頭控制—采空區(qū)留巷段臨時支護(hù)(包括巷幫補(bǔ)強(qiáng)、擋矸支護(hù)等)—留巷段支護(hù)及端頭支護(hù)—完成留巷。文中就重點對切頂卸壓留巷過程中涉及到的超前支護(hù)、切頂卸壓、擋矸及支護(hù)技術(shù)等環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。

2.1 超前支護(hù)

為避免留巷段在周期來壓、采動壓力以及切頂卸壓等影響下出現(xiàn)大變形問題，在切頂卸壓之前采用大直徑恒阻錨索對巷道頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。留巷段巷道頂板錨索由3根增至5根，使得頂板錨索間排距由1 600 mm×2 000 mm縮小至800 mm×1 000 mm，頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索規(guī)格為D18.9 mm×10 000 mm.在巷幫增設(shè)2根規(guī)格D18.9 mm×4 300 mm錨索補(bǔ)強(qiáng)，錨索布置間排距為1 400 mm×800 mm.補(bǔ)強(qiáng)錨索施加的預(yù)緊力控制在200 kN以上，具體補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面見圖3.

圖3 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意

2.2 切頂卸壓技術(shù)

在31103膠帶巷采用雙向聚能預(yù)爆破切頂技術(shù)，爆破切頂后可形成切頂縫，切斷留巷段頂板與采空區(qū)頂板間應(yīng)力傳遞路徑，使得采空區(qū)頂板沿著切頂縫及設(shè)計高度垮落，形成留巷段巷幫。結(jié)合31103膠帶巷現(xiàn)場條件及11號煤層頂板巖性，確定的切頂卸壓鉆孔深度為15 m，切頂鉆孔外插10°，鉆孔開孔與采空區(qū)側(cè)巷幫間距為100 mm，鉆孔孔徑統(tǒng)一為45 mm、間距800 mm，具體切頂卸壓鉆孔布置見圖4.

圖4 切頂卸壓鉆孔布置示意

切頂鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)見圖5，采用不耦合裝藥方式，孔內(nèi)共計裝入18節(jié)乳化炸藥(裝藥量共計3.6 kg)。切頂卸壓鉆孔施工及爆破至少超前采面100 m以上。

圖5 切頂鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)

2.3 擋矸及巷道支護(hù)

采空區(qū)頂板彎曲下沉后，直接垮落的巖體容易侵入到留巷空間內(nèi)，同時為避免留巷段在動壓影響下出現(xiàn)變形嚴(yán)重問題，依據(jù)31103膠帶巷留巷段現(xiàn)場情況，提出綜合工字鋼、鋼筋網(wǎng)、擋矸布、U型可伸縮擋矸柱、背木等進(jìn)行擋矸支護(hù)，具體布置見圖6.

圖6 擋矸支護(hù)示意(mm)

1) 端頭支護(hù)。為避免留巷段頂板支護(hù)用錨桿(索)端頭遭受破壞，將端頭位置的1號排頭支架向切眼內(nèi)移動，確保1號排頭支架與頂板錨桿(索)端頭間距在200 mm以上。為避免采空區(qū)頂板垮落矸石竄入巷道內(nèi)并提高后續(xù)擋矸支護(hù)操作安全系數(shù)，在靠近端頭的1號及2號排頭架上增設(shè)臨時防護(hù)裝置，控制頂板。

2) 擋矸支護(hù)。擋矸支護(hù)緊跟排頭支架，滯后排頭支架距離在500 mm以內(nèi)。切頂留巷效果與擋矸防護(hù)效果密切相關(guān)，為確保擋矸支護(hù)效果，在鄰近的2個擋矸支柱間用連板連接；擋矸支柱與巷道頂板用廢舊錨桿固定，提高擋矸支柱穩(wěn)定性。

3) 動壓影響區(qū)強(qiáng)化支護(hù)。在架后0～200 m范圍內(nèi)，受采空區(qū)頂板彎曲、垮落及下沉等影響，巷道圍巖變形量較大，需強(qiáng)化支護(hù)。具體強(qiáng)化支護(hù)措施為：在留巷段與采空區(qū)側(cè)幫間距1 m位置布置一排液壓抬棚，在距離實體煤幫1 m位置布置一排抬棚(單體+π型鋼梁)，抬棚的初撐力在24 MPa以上。

4) 成巷穩(wěn)定區(qū)支護(hù)。在滯后采面200 m以外區(qū)域內(nèi)，采空區(qū)頂板彎曲下沉等基本穩(wěn)定，在此區(qū)域內(nèi)可依據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)，依次減少使用的抬棚數(shù)量，確保運輸巷在31105綜采工作面回采期間巷道圍巖保持穩(wěn)定。

3 切頂卸壓留巷效果分析

3.1 圍巖變形量

在31103膠帶巷切頂留巷段布置測站，對巷道頂板離層量、巷道圍巖變形情況以及礦壓顯現(xiàn)情況等進(jìn)行監(jiān)測，并分析圍巖變形及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，掌握切頂留巷效果。具體監(jiān)測結(jié)果見圖7.

圖7 留巷段頂板壓力及位移監(jiān)測結(jié)果

1) 留巷段頂板礦壓顯現(xiàn)分析。根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，留巷段頂板壓力在滯后采面35 m后開始逐漸增高，頂板壓力峰值在滯后采面55～70 m范圍內(nèi)，在滯后采面70 m以外區(qū)域內(nèi)礦壓逐漸降低，在滯后采面85 m以外礦壓則基本穩(wěn)定。

2) 頂板離層量。在留巷段滯后采面30 m以后，頂板巖體逐漸出現(xiàn)離層，在滯后采面80 m后頂板離層量達(dá)到最大，其中頂板深部(測點位于頂板上覆7m位置)離層量為85 mm、頂板淺部(測點位于頂板上覆3.5m位置)離層量為10 mm.

3) 留巷段表面圍巖變形量。采用十字位移觀測法分析留巷段圍巖變形量，留巷段頂?shù)装逡平吭跍蟛擅?0 m時介于50～80 mm、滯后采面70～130 m時介于260～310 mm、滯后后采面130～180 m時介于290～396 mm.留巷段頂?shù)装逦灰屏吭跍蟛擅?80 m以后基本穩(wěn)定，其中靠近采空區(qū)側(cè)頂?shù)装逦灰屏棵黠@高于靠近煤壁側(cè)。

通過對留巷段礦壓顯現(xiàn)、頂板離層以及表面圍巖變形量等分析得出，采用的切頂留巷技術(shù)應(yīng)用效果較為顯著，31103膠帶巷切頂留巷段圍巖可保持穩(wěn)定，滿足后續(xù)31105綜采工作面使用需要。

3.2 現(xiàn)場留巷情況

現(xiàn)階段31103膠帶巷切頂留巷距離超過650 m，現(xiàn)階段留巷段巷寬、巷高分別保持在4.5 m、2.6 m，巷道未有明顯變形情況出現(xiàn)，取得較為顯著的留巷效果。具體膠帶巷切頂留巷現(xiàn)場情況見圖8.

圖8 膠帶巷切頂留巷現(xiàn)場情況

通過在膠帶巷采用切頂卸壓留巷技術(shù)，可明顯縮短31105綜采工作面成面時間(采面少掘進(jìn)一條巷道)，在一定程度緩解礦井采掘接替緊張局面。同時切頂留巷布置區(qū)域內(nèi)煤體經(jīng)過長時間預(yù)抽，不存在巷道掘進(jìn)面臨的煤與瓦斯突出、瓦斯異常涌出等問題。通過切頂留巷技術(shù)后采面不需要留設(shè)保護(hù)煤柱，每米留巷段可多回收原煤約200 t，直接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約8萬元。

4 結(jié) 語

為實現(xiàn)煤炭資源高效回采，將切頂留巷技術(shù)應(yīng)用到膠帶巷留巷中，在留巷過程中采用18.9 mm×10 000 mm恒阻大變形錨索對頂板進(jìn)行支護(hù)，在巷幫用D18.9 mm×4 300 mm錨索補(bǔ)強(qiáng)，降低采動壓力及切頂對巷道變形影響；在留巷段頂板與采空區(qū)側(cè)巷幫間距為100 mm位置施工切頂卸壓鉆孔，深度為15 m、外插10°、間距800 mm，孔底裝入18節(jié)乳化炸藥(裝藥量3.6 kg)，爆破后形成貫通的切頂縫；給出端頭支護(hù)、擋矸支護(hù)、動壓影響區(qū)強(qiáng)化支護(hù)以及成巷穩(wěn)定區(qū)支護(hù)技術(shù)方案。

在膠帶巷現(xiàn)場應(yīng)用后，留巷段圍巖始終保持穩(wěn)定，留巷巷道凈寬、凈高分別為4.5 m、2.6 m，巷道斷面可滿足31105綜采工作面回采需要。