淺部復(fù)雜地質(zhì)條件下切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)及應(yīng)用

＊?jiǎng)?毅

（煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計(jì)研究院有限公司貴州分公司 貴州 551500）

我國作為全球最大的能源消費(fèi)國和生產(chǎn)國，能源是我國經(jīng)濟(jì)繁榮和可持續(xù)發(fā)展的前提與重要支撐，而煤炭是我國能源安全的保障和壓艙石[1]，據(jù)國家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)，2022年國內(nèi)煤炭總產(chǎn)量約44.5億噸，同比增加8%，全年實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)煤炭3.2億噸，煤炭消費(fèi)總量仍然逐漸增大。但是目前傳統(tǒng)長(zhǎng)臂開采技術(shù)，需要提前掘進(jìn)兩條巷道，留設(shè)煤柱不僅降低了煤炭資源回收率，還存在采掘接續(xù)困難、瓦斯治理難度大、巷道變形嚴(yán)重等問題[2-3]。

針對(duì)上述問題，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行深入研究。張鎮(zhèn)等[3]通過水力壓裂卸壓技術(shù)對(duì)長(zhǎng)平煤礦43122煤柱留巷進(jìn)行研究，煤柱留巷圍巖變形量減小；劉雨濤等[4]通過預(yù)制混凝土砌塊墻原位充填支護(hù)方式，對(duì)高山煤礦1902工作面高瓦斯突出煤層進(jìn)行原位充填沿空留巷技術(shù)研究。通過上述研究能夠有效解決采掘接續(xù)困難等問題。但是在復(fù)雜條件下，其留巷變形量大，留巷困難。王小龍等[5]從預(yù)裂切縫關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)、留巷補(bǔ)強(qiáng)加固支護(hù)、采空區(qū)擋矸支護(hù)、瓦斯安全管理方法等方面詳細(xì)分析了切頂卸壓無煤柱自成巷工藝流程。

綜上所述，針對(duì)貴州省納雍縣某煤礦存在煤層厚度大、埋深淺、頂板松軟等問題，以本煤礦10605工作面為研究背景，采用切頂卸壓無煤柱自成巷開采工藝進(jìn)行研究，為貴州復(fù)雜地質(zhì)條件下開展切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1.工程概況

10605工作面開采M6煤層，為全煤巷道，M6煤層位于龍?zhí)督M二段P3l2頂部，煤層厚1.44～6.08m，平均厚度4.3m，傾角平均12°，屬全區(qū)可采較穩(wěn)定厚煤層；M6煤層自燃發(fā)火傾向性為Ⅲ類，屬不易自燃煤層，無爆炸危險(xiǎn)性，礦井瓦斯絕對(duì)涌出量15.44m3/min，為瓦斯突出礦井。

10605工作面運(yùn)輸巷383m、10605工作面切眼204m，10605回風(fēng)巷385m。工作面計(jì)劃沿煤層頂板進(jìn)行回采，設(shè)計(jì)采高3.8m，留底煤。實(shí)驗(yàn)巷道為10605工作面運(yùn)輸巷留巷距離為293m，如圖1所示。

圖1 10605工作面留巷施工位置示意圖

M6煤層頂板主要以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖以及粉砂質(zhì)泥巖為主，工作面柱狀圖，如圖2所示。

圖2 工作面柱狀圖

2.切頂卸壓無煤柱自成巷開采工藝原理

（1）無煤柱自成巷力學(xué)原理。傳統(tǒng)長(zhǎng)壁開采方式需要提前掘進(jìn)兩條巷道，將其頂板作為長(zhǎng)臂懸梁結(jié)構(gòu)。而切頂卸壓無煤柱自成巷開采工藝則是通過對(duì)頂板進(jìn)行切頂卸壓，工作面頂板垮落，當(dāng)工作面采礦體積等于頂板垮落巖體碎脹體積時(shí)，將長(zhǎng)臂梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為短臂梁結(jié)構(gòu)，改變其受力變形，中斷低位巖梁間的應(yīng)力傳遞，使巷道和工作面形成兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力場(chǎng)[6]。

（2）無煤柱自成巷工藝流程。切頂卸壓無煤柱自成巷開采工藝核心在于預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)以及NPR錨桿/錨索支護(hù)技術(shù)。首先，依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)預(yù)留巷道施工恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，該流程需超前施工切縫孔50m進(jìn)行。其次，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整后，避免爆破帶來擾動(dòng)影響，超前工作面至少50m進(jìn)行預(yù)裂爆破。待工作面回采后，按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用單體或門式支架等對(duì)頂板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。最后，在菱形網(wǎng)和鋼筋網(wǎng)之間鋪設(shè)風(fēng)筒布進(jìn)行擋矸支護(hù)，待巷道穩(wěn)定后回撤單體支架，留巷完成。

3.方案設(shè)計(jì)

（1）切頂爆破方案?！稛o煤柱自成巷110工法規(guī)范》指出合理預(yù)裂切縫深度（H縫）設(shè)計(jì)與開采高度、頂板下沉量及底臌量有關(guān)，可通過式（1）確定：

式中：△H1：頂板下沉量，m；△H2：底臌量，m；k：碎脹系數(shù)，1.3～1.5。

采空區(qū)頂板冒落煤矸石碎脹系數(shù)取1.3，工作面采高H煤為3.4m時(shí)，代入式（1）計(jì)算得H縫=11.3m，綜合考慮頂板巖性、采空區(qū)分布及上述計(jì)算結(jié)果，預(yù)裂切縫孔深度設(shè)計(jì)為13500mm，線夾角為15°，間距為500mm。

聚能管管長(zhǎng)為1500mm，外徑為42mm，內(nèi)徑為36.5mm。將聚能管安裝至爆破孔內(nèi)，每孔7根聚能管，采用3+3+2+2+2+2+1的裝藥方式，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況具體調(diào)整。

（2）恒阻錨索支護(hù)方案。由于巷道穩(wěn)定性易受切頂及工作面回采擾動(dòng)影響，至少在超前切縫孔爆破50m以上位置施工恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)?？紤]切縫孔深度設(shè)計(jì)為13.3m，將恒阻錨索長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為15300mm，直徑為21.8mm，恒阻器長(zhǎng)450mm，預(yù)緊力不小于25t。

第一列恒阻錨索距留巷正幫900mm，排距1000mm；第二列距第一列1100mm；第三列距第二列1500mm。第一列恒阻錨索相鄰錨索之間用槽鋼連接（槽鋼平行于巷道走向），第二列恒阻錨索與相鄰的第三列恒阻錨索之間用槽鋼連接（槽鋼垂直于巷道走向）。

（3）擋矸護(hù)幫及臨時(shí)支護(hù)方案。在成巷初期，巷道受動(dòng)壓擾動(dòng)影響，利用單體加鉸接頂梁方式進(jìn)行支護(hù)。單體支架垂直巷道走向布置，每排布設(shè)4根單體支柱，排距為1000mm?；夭蓚?cè)第一列單體緊鄰擋矸工字鋼，第二列單體距離第一列單體1000mm，第三列單體距離第二列單體1000mm，第三列單體距實(shí)體煤幫600mm，臨時(shí)支護(hù)側(cè)視圖，如圖3所示。

圖3 架后臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)斷面

（4）防漏風(fēng)及防滅火方案。為有效防止漏風(fēng)及防止自燃發(fā)火等現(xiàn)象的發(fā)生，通過鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)+風(fēng)筒布+菱形網(wǎng)方法，風(fēng)筒布高度取3800mm，上下各超出300mm，超出部分分別固定到頂?shù)装?，并進(jìn)行有效封閉。清理工作面浮煤，及時(shí)噴涂高分子材料，通過加強(qiáng)自然發(fā)火標(biāo)志性氣體監(jiān)測(cè)，達(dá)到防漏風(fēng)及防滅火目的.

（5）防底鼓措施。由于煤層埋深較淺，巷道頂板淋水較大，底板巖石吸水膨脹，后期底鼓量較大。

針對(duì)底板軟、底鼓等問題，采取支柱下方加墊工字鋼和鐵鞋，能夠增強(qiáng)頂?shù)装逯ёo(hù)強(qiáng)度。為防止支柱鉆底卸壓，降低巷道支護(hù)強(qiáng)度，在液壓支柱下加墊400mm大鐵鞋，鐵鞋下并排加墊3根11號(hào)工字鋼，鋪平墊實(shí)。起到非常好的支護(hù)效果。

4.留巷效果分析

(1)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過對(duì)工作面后方頂板位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，留巷頂板下沉變形監(jiān)測(cè)，如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)：①滯后工作面60m處為頂板快下沉階段，該階段受工作面回采擾動(dòng)影響較大；②滯后工作面140m，由于受垮落層位升高，頂板下沉量逐漸減??；③為滯后工作面約190m時(shí)，此時(shí)采空區(qū)覆巖垮落活動(dòng)、巷道頂板巖梁回轉(zhuǎn)下沉活動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定，留巷圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；④為滯后工作面超過190m留巷段，該段留巷圍巖已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，可進(jìn)行回撤臨時(shí)支護(hù)單體，成功留巷。

圖4 留巷段頂板位移變化

(2)留巷效果

10605工作面自留巷以來，已成功留巷約290m，留巷前40m段，受經(jīng)驗(yàn)不成熟影響，巷道頂板移進(jìn)量約0.6～0.8m左右，隨著完善現(xiàn)場(chǎng)施工的不足，后續(xù)頂板變形較少，控制在0.3m以內(nèi)，底板清底鋪設(shè)工字鋼后底鼓變形量也得以控制，能夠滿足使用。

(3)經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)效益

①10605工作面間煤柱寬度為10m，以留巷長(zhǎng)度295m、工作面采高3.5m為例該工作面可多回收1萬噸煤柱，按照1200元/噸價(jià)格，節(jié)約煤炭資源約1200萬元。

②少掘一條巷道，以掘巷綜合成本約8000元/米計(jì)算，按照工作面長(zhǎng)度295m計(jì)算，該工作面掘進(jìn)費(fèi)用約為236萬元。

③解決采掘接續(xù)難的問題。采用切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)，節(jié)約出4個(gè)月的掘巷時(shí)間，為礦井的生產(chǎn)提供了保障。

5.結(jié)論

（1）基于某礦煤礦煤層厚度大、埋深淺、頂板松軟等問題的復(fù)雜條件，提出了適應(yīng)其礦井的切頂卸壓無煤柱自成巷開采工藝，形成安全可靠的無煤柱開采體系。

（2）確定預(yù)裂切縫孔深度為13.3m，角度偏采幫側(cè)為15°，預(yù)裂切縫孔間距為500mm，采用3+3+2+2+2+2+1的裝藥方式，有效切割頂板巖層。

（3）通過切頂卸壓無煤柱自成巷開采工藝，節(jié)約煤炭資源約1200萬元，節(jié)約下個(gè)工作面掘進(jìn)費(fèi)用約為236萬元，解決了采掘接續(xù)難題。