東瑞煤業(yè)薄煤層工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)

王 飛

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 古縣東瑞煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042405)

由于多年高強(qiáng)度開采，諸多老礦區(qū)煤炭資源已開采殆盡。沿空留巷技術(shù)因取消相鄰工作面間區(qū)段保護(hù)煤柱的留設(shè)，可以有效減少煤炭資源損失量，延長礦井服務(wù)年限，已在許多礦區(qū)成功應(yīng)用并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。本文以東瑞煤業(yè)為工程背景，對薄煤層工作面沿空留巷技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1 工程背景

東瑞煤業(yè)有限公司隸屬于山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)，位于山西省臨汾市古縣北平鎮(zhèn)賈寨村，目前主采2號煤層。2號煤層厚度為0.8～1.0 m，平均0.89 m，不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，全井田穩(wěn)定可采。直接頂為泥巖，平均厚度2.1 m，老頂為中砂巖，平均厚度2.8 m，直接底為泥巖，平均厚度1.8 m，老底為細(xì)砂巖，平均厚度3.6 m.

由于東瑞煤業(yè)有限公司現(xiàn)有煤炭資源即將回采完畢，為有效延長礦井壽命，提出采用沿空留巷的方式減少因留設(shè)區(qū)段煤柱造成的煤炭資源損失?？紤]到2號煤層厚度較小，采用傳統(tǒng)的充填沿空留巷方式不僅成本高，而且施工難度較大，充填工序與工作面回采工序相互之間干擾較大，不利于礦井安全生產(chǎn)。經(jīng)多方調(diào)研，決定采用切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)實(shí)現(xiàn)沿空留巷。

2 方案設(shè)計(jì)

切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)工藝流程相對簡單[4-5]，在工作面回采前，采用高強(qiáng)錨索對沿空巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；然后采用定向爆破的方式將巷道頂板巖層與采空區(qū)頂板巖層切斷，使得工作面回采后采空區(qū)頂板垮落時(shí)巷道頂板仍能處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)；工作面回采后，在采空區(qū)邊緣及時(shí)架設(shè)工字鋼及金屬網(wǎng)，形成擋矸結(jié)構(gòu)避免采空區(qū)垮落矸石涌入沿空巷道；同時(shí)在滯后工作面200 m范圍內(nèi)，支設(shè)密集單體支護(hù)，防止留巷段受采動(dòng)及礦壓影響導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn)；當(dāng)滯后回采工作面200 m范圍以外時(shí)，由于留巷段距離工作面較遠(yuǎn)，受工作面回采擾動(dòng)較小，且采空區(qū)上覆巖層也逐漸趨于穩(wěn)定，留巷段圍巖基本不再受動(dòng)壓影響，此時(shí)可將留巷內(nèi)單體支柱撤除，僅保留工字鋼及金屬網(wǎng)做擋矸支護(hù)即可。

根據(jù)東瑞煤業(yè)2號煤層現(xiàn)場地質(zhì)條件及巷道布置，選擇2101軌道巷為試驗(yàn)巷道，將2101軌道巷保留下來作為2103膠帶巷。

2.1 高強(qiáng)錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

2101軌道巷為矩形巷道，巷道斷面為寬×高=4.2 m×2.8 m.原設(shè)計(jì)支護(hù)方案如下：頂板錨桿選用D20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，頂錨索規(guī)格為D18.9 mm×6 200 mm，間排距為1 800 mm×3 000 mm，幫錨桿選用D20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 200 mm×1 000 mm.為防止工作面回采后，巷道頂板巖層失穩(wěn)垮落，因此設(shè)計(jì)在距離切頂側(cè)200 mm位置布置1排高強(qiáng)錨索，規(guī)格為D18.9 mm×7 000 mm，間距為1 000 mm，巷道支護(hù)形式見圖1.

圖1 巷道支護(hù)形式(mm)

2.2 切頂方案設(shè)計(jì)

切頂?shù)哪康氖乔袛嘞锏理敯鍘r層與采空區(qū)頂板巖層的直接聯(lián)系，當(dāng)工作面回采后，減小采空區(qū)頂板垮落對巷道頂板巖層的擾動(dòng)，合理的切頂高度可由下式計(jì)算：

H高=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

式中：H高為切頂高度，m；H煤為采煤高度，取1.5 m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為頂板巖層碎脹系數(shù)，1.3.

在不考慮頂?shù)装遄冃瘟繒r(shí)，計(jì)算可得：H高=5 m.

綜合考慮施工條件及其他成功應(yīng)用切頂卸壓無煤柱自成巷礦井的工程經(jīng)驗(yàn)，切頂角度為15°時(shí)，既有利于采空區(qū)頂板垮落，也有利于現(xiàn)場切頂鉆孔的施工，因此，切頂鉆孔角度設(shè)計(jì)為15°，深度設(shè)計(jì)為5 m，如圖2所示。

圖2 切頂爆破孔設(shè)計(jì)參數(shù)(mm)

2.3 滯后工作面200 m范圍內(nèi)支護(hù)設(shè)計(jì)

在滯后工作面200 m范圍內(nèi)，采用密集單體柱支護(hù)巷道頂板，同時(shí)在采空區(qū)邊緣設(shè)置工字鋼及金屬網(wǎng)進(jìn)行擋矸支護(hù)，以免采空區(qū)垮落矸石涌入巷道，滯后工作面支護(hù)形式如圖3所示。

圖3 滯后工作面200 m支護(hù)方式

2.4 滯后工作面200 m范圍外支護(hù)設(shè)計(jì)

當(dāng)滯后工作面200 m以后，距離工作面較遠(yuǎn)，受采動(dòng)影響較小，且上覆巖層基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道基本不再受動(dòng)壓影響，因此可將巷道內(nèi)密集單體支護(hù)撤除，僅保留工字鋼及金屬網(wǎng)組成的擋矸支護(hù)即可，如圖4所示。

圖4 滯后工作面200 m后撤除單體支柱

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

按照上述設(shè)計(jì)，在2101軌道巷進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，為保證定向切頂效果，采用聚能管進(jìn)行裝藥爆破。如圖5所示，聚能管左右兩側(cè)對稱開孔，形成爆破弱面，當(dāng)炸藥起爆瞬間，爆轟波沿著聚能管開孔方向傳遞，從而達(dá)到定向聚能爆破的效果。

圖5 定向聚能爆破原理

為保證爆破效果，現(xiàn)場借助鉆孔窺視儀進(jìn)行了爆破效果窺視，以便及時(shí)根據(jù)爆破效果及巖性變化，調(diào)整炸藥數(shù)量，達(dá)到較好的爆破效果，如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場爆破窺視圖

為驗(yàn)證現(xiàn)場留巷效果，在2101軌道巷滯后工作面每隔50 m布置1個(gè)綜合監(jiān)測站，對巷道頂板下沉量、高強(qiáng)錨索受力及密集單體支柱工作阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。為防止撤除留巷段密集單體后，頂板失穩(wěn)，當(dāng)巷道頂板下沉量、高強(qiáng)錨索受力及單體工作阻力基本穩(wěn)定后，表明上覆巖層基本趨于穩(wěn)定，不再對巷道產(chǎn)生動(dòng)壓影響，此時(shí)才可將密集單體支護(hù)撤除，僅保留擋矸支護(hù)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場監(jiān)測曲線

如圖7所示，在留巷初始階段，滯后工作面20 m范圍內(nèi)，由于距離工作面較近，受工作面采動(dòng)影響較大，且受采空區(qū)頂板巖層垮落影響，巷道頂板變形劇烈，下沉量變化很快，錨索受力及單體工作阻力也呈現(xiàn)急劇增大的趨勢；滯后工作面20～150 m范圍內(nèi)，隨著工作面向前推進(jìn)，距離工作面越來越遠(yuǎn)，受工作面擾動(dòng)逐漸減小，上覆巖層也逐漸趨于穩(wěn)定，巷道頂板下沉幅度逐漸減緩，錨索受力及單體工作阻力也呈現(xiàn)緩慢增大逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢；當(dāng)滯后工作面150 m后，巷道受工作面采動(dòng)影響幾乎可以忽略，且采空區(qū)垮落矸石已逐漸壓實(shí)，對上覆巖層起到有效的支護(hù)作用，上覆巖層基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道圍巖不再受到上覆巖層動(dòng)壓影響，因此巷道頂板基本不再下沉，錨索受力及單體工作阻力也趨于穩(wěn)定。按照原設(shè)計(jì)，滯后工作面200 m后，可將密集單體支柱撤除，僅保留擋矸支護(hù)結(jié)構(gòu)即可。按照現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合考慮生產(chǎn)安全，留巷初始階段仍按原設(shè)計(jì)，滯后工作面200 m后開始撤除密集單體支柱，在后續(xù)留巷過程中，可逐漸減小密集單體支柱支護(hù)范圍，但單體支柱支護(hù)范圍不得小于150 m.撤除單體支柱后，現(xiàn)場留巷效果如圖8所示，留巷效果較好，可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。

圖8 現(xiàn)場留巷效果

4 結(jié) 語

1) 為防止切縫側(cè)巷道頂板下沉量過大，在距離采幫200 mm位置布置1排高強(qiáng)錨索，規(guī)格為D18.9 mm×7 000 mm，間距為1 000 mm.

2) 合理的切縫角度為15°(與豎直方向)，切縫深度為5 m.

3) 在2101軌道巷進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，通過對巷道頂板下沉量、錨索受力及單體支柱工作阻力進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明：在滯后工作面150 m以后，巷道圍巖趨于穩(wěn)定，且留巷效果良好，可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。