切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)在不同頂板條件下的應(yīng)用與實踐

王子越，宋潤權(quán)，黃 偉，楊 剛

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.四川煤炭產(chǎn)業(yè)集團芙蓉公司 白皎煤礦，四川 宜賓 644501)

?

切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)在不同頂板條件下的應(yīng)用與實踐

王子越1，宋潤權(quán)2，黃 偉2，楊 剛2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.四川煤炭產(chǎn)業(yè)集團芙蓉公司 白皎煤礦，四川 宜賓 644501)

為解決白皎煤礦保護層留煤柱引發(fā)的采空區(qū)瓦斯積聚、瓦斯突出及應(yīng)力集中對近距離煤層開采引起的災(zāi)害問題，進行了切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)實踐。給出了厚頂板煤層合理切頂深度的經(jīng)驗計算公式，并實現(xiàn)了近距離薄頂板煤層切頂卸壓自動成巷，提出了完整的切頂卸壓自動成巷施工工藝。切頂卸壓自動成巷巷道在下一工作面回采期間變形量較小，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

切頂卸壓；自動成巷；無煤柱開采；厚頂板煤層；薄頂板煤層；切頂深度

Application and Practial of Anthracitic Column Mining with Roadway Auto-generation by Roof Cutting Unloading in Different Roof Situation

切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)工序簡單，工程量小，可與工作面回采平行作業(yè)，同時取消了采空區(qū)煤柱，消除了采空區(qū)發(fā)火源，避免了煤柱應(yīng)力集中對近距離煤層開采引起的災(zāi)害。國內(nèi)外學(xué)者與工程技術(shù)人員進行了大量研究工作[1-3]。張國鋒、何滿潮等對切頂卸壓自動成巷技術(shù)的原理、理論基礎(chǔ)和技術(shù)關(guān)鍵進行了研究[4-5]，提出了完整的施工工藝流程，并在現(xiàn)場成功實施；陳勇、郝勝鵬[6]等對切頂卸壓采用的淺孔爆破技術(shù)的各項參數(shù)進行了數(shù)值模擬研究，得出了最佳裝藥孔間距和裝藥孔不耦合系數(shù)；何滿潮、郭志飆發(fā)明了一種恒阻大變形錨索[7]，并對其力學(xué)性能進行了研究，為切頂卸壓自動成巷巷道的支護提供了有效手段。上述成果從理論和技術(shù)實踐上都得到了較好地發(fā)展和應(yīng)用，但缺少合理切頂深度的研究，同時切頂卸壓自動成巷多在厚頂板條件下實現(xiàn)，缺乏近距離薄煤層切頂成巷實踐。

本文以四川芙蓉礦區(qū)白皎煤礦近距離煤層無煤柱開采為工程背景，經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗，提出了厚頂板切頂卸壓自動成巷合理切頂深度的確定方法，并實現(xiàn)近距離薄煤層切頂卸壓自動成巷。切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)在不同頂板條件下的應(yīng)用取消了采空區(qū)煤柱，提高了采出率，避免了采空區(qū)發(fā)火源和應(yīng)力集中在近距離煤層開采引起的災(zāi)害問題。同時，減少了巷道掘進量，緩解了采掘接續(xù)緊張的局面，降低了噸煤成本，取得了良好的經(jīng)濟技術(shù)效果。

1 切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)關(guān)鍵工藝流程

切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)采用聚能管定向爆破技術(shù)沿巷道軸向靠近工作面?zhèn)瘸邦A(yù)裂頂板，在工作面周期來壓作用下，頂板沿預(yù)裂縫切落。切頂范圍內(nèi)頂板巖體垮落碎脹，支承上覆巖層，從而減少上覆巖層的下沉和回轉(zhuǎn)變形，實現(xiàn)留巷卸壓。切落的頂板巖體形成巷幫，保留工作面下平巷，經(jīng)過簡單的采空區(qū)側(cè)防漏風(fēng)防火處理即可使用，從而實現(xiàn)一面一巷的回采方式。其主要的工藝流程為：

掘進施工首采面上下平巷→使用大變形恒阻錨索超前加固下平巷采空區(qū)側(cè)頂板→采用聚能環(huán)定向爆破技術(shù)進行頂板預(yù)裂縫施工→回采工作面→在頂板周期來壓作用下，切頂范圍內(nèi)巖體沿預(yù)裂縫自動切落成巷幫→對工作面后方穩(wěn)定區(qū)巷道進行二次維護→對成巷區(qū)進行防漏風(fēng)防火等密閉處理措施。

2 不同頂板條件下切頂卸壓沿空留巷開采技術(shù)實踐

白皎煤礦24采區(qū)共有1～5號5層煤層，其中1～4號煤層可采，為近距離煤層，采用下行開采順序。其中，1號煤層為堅硬頂板，2號煤層為中硬頂板，3號煤層為中硬薄頂板，4號煤層為軟弱薄頂板。煤層層位關(guān)系及基本情況見表1。

表1 煤層主要物理性質(zhì)

2.1 厚頂板的切頂護巷

基于切頂卸壓沿空留巷理論基礎(chǔ)，經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)實踐探索，提出以下合理切頂深度的確定方法：切頂深度可根據(jù)以下原則計算，即煤層開采完畢，切落頂板碎脹后能有效支撐上覆巖層。由于頂板切落碎脹支撐上覆巖層后，破碎巖石會進一步壓實，所以應(yīng)取殘余碎脹系數(shù)。不同巖性圍巖殘余碎脹系數(shù)不同，經(jīng)現(xiàn)場實踐，煤系沉積巖殘余碎脹系數(shù)可取1.15～1.2。

切頂深度H可按照下式計算：

(1)

切頂深度應(yīng)根據(jù)頂板條件適當(dāng)調(diào)整，若頂板圍巖完整堅硬，應(yīng)適當(dāng)增加切頂深度，若頂板圍巖軟弱破碎，可適當(dāng)減小切頂深度。

2.1.1 工程實踐

2號煤層頂?shù)装鍘r性見表2。

表2 2號煤層頂?shù)装鍘r性

試驗巷道為白皎礦2422工作面機巷，異形斷面，巷高2.5m，巷寬3.2～4.4m，長465m。巷道頂板主要為砂質(zhì)泥巖和細砂巖，中硬厚頂板，初始支護為錨桿索聯(lián)合支護。工作面采用綜合機械化開采，平均采高1.2m。利用雙向聚能拉張成型爆破技術(shù)進行切頂，使用恒阻錨索進行巷旁支護。根據(jù)式(1)算得切頂深度為6m，考慮頂板以上5m處為煤線，強度較低，會自動垮落，最終確定切頂深度為5m。

2.1.1.1 留巷掘進支護

錨桿：錨桿為恒阻大變形錨桿，直徑20mm，長度2200mm。使用K2350樹脂錨固劑進行端頭錨固，每根錨桿使用2根錨固劑。錨桿預(yù)緊扭矩≥100N·m。

底角錨桿：采用直徑為42mm，長度2200mm無縫鋼管，每排2根。下扎30°打設(shè)，后插直徑22mm鋼筋后進行注漿錨固。

錨索：頂板支護形式為恒阻大變形錨索，錨索規(guī)格為：長8000mm，直徑15.6mm，端頭錨固，每根錨索使用4只K2350樹脂錨固劑，錨索預(yù)緊力≥120kN。

托盤：錨桿托盤為木托盤和鐵托盤組成的復(fù)合托盤，其中鐵托盤為120mm×120mm×10mm碟形托盤，木托盤規(guī)格為120mm×80mm×50mm。錨索托盤由20號廢舊槽鋼切割而成，尺寸為200mm×200mm×10mm，使用尺寸為150mm×150mm×10mm的鋼板中間加焊進行強化，鋼板中心眼孔直徑為20mm。

支護結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖1。

圖1 白皎礦2422工作面機巷支護參數(shù)

2.1.1.2 爆破切頂鉆孔布置參數(shù)

根據(jù)試驗現(xiàn)場的實際條件，試驗中選用φ25mm乳化炸藥，聚能管內(nèi)徑為28mm，外徑為32mm，炮孔直徑為35mm，頂板炮孔間距為0.5m。

為避免大面積破壞頂板，藥量應(yīng)參照頂板巖性f=4～6 確定為小于800g/孔。為防止爆破沖擊波破壞淺部頂板，使其爆破能量更好地沿聚能管切縫釋放切割頂板，在聚能管內(nèi)充填黃泥1.6m，進行孔口充填封孔。

2.1.1.3 動壓加強支護參數(shù)

(1)采用DZ25-25/100型單體液壓支柱配工字鋼梁對工作面前方超前支承壓力區(qū)進行臨時支護，超前壓力區(qū)前10m每排架設(shè)2根單體柱，柱距0.9m，1梁1柱布置；超前壓力區(qū)前10～20m每排架設(shè)1根單體柱，柱距0.9m，1梁1柱。

(2)工作面后方40m，采用DZ25-25/100型單體液壓支柱配工字鋼梁進行補強支護，每排架設(shè)3根單體柱，柱距1m，1梁1柱布置；工作面后方40～60m，靠近采空區(qū)側(cè)密集架設(shè)單體柱，柱距0.5m，外側(cè)掛鋼筋網(wǎng)，局部地段打斜撐柱以提高擋矸效果。

(3)工作面煤壁后方60m以外，壓力趨于穩(wěn)定，回撤DZ25-25/100型單體液壓支柱，打設(shè)工字鋼棚，棚距0.9m。

2.1.1.4 切頂效果

2號煤層工作面直接頂垮落步距為5～10m，工作面采完支架回撤完后，僅沿空留巷與結(jié)束線的三角區(qū)內(nèi)懸頂約10m2，其余地段全部垮落充填采空區(qū)，并有效支承上覆巖層。

2號煤層工作面所有留巷全部成功，巷道進行簡單修復(fù)后即可作為下一工作面回風(fēng)巷使用。巷道在使用周期內(nèi)變形量小，頂?shù)装逡平坎怀^150mm。

2.2 近距離薄頂板煤層切頂護巷

由于近距離煤層上分層開采對底板的破壞作用，下分層開采時，煤層之間的頂板已處于破壞狀態(tài)，因此不需要進行爆破切頂，可采用密集鉆孔導(dǎo)向切頂，切頂深度為小于頂板厚度0.5m為宜，避免打穿頂板，以保證工作面回采前，巷道頂板的完整。

2.2.1 工程實踐

2號、3號煤層平均層間距僅為2.6m，3號煤層頂板主要為黏土巖。3號、4號煤層平均層間距僅為2.3m，4號煤層頂板主要為砂質(zhì)泥巖。

頂板厚度大于3m地段采用異形斷面，錨桿支護；頂板厚度小于3m 地段采用梯形斷面，并采用工字鋼梁被動支護。工作面采用綜合機械化回采，采高約1.2m。采用密集鉆孔導(dǎo)向切頂方案。切頂參數(shù)如下：鉆孔深度比頂板厚度小0.5m，切頂導(dǎo)向鉆孔沿工作面?zhèn)忍崆安贾靡涣?，距巷?.2m，孔間距0.3m。

2.2.2 切頂效果

3號煤層工作面的頂板垮落步距為4.0m； 4號煤層工作面頂板垮落步距為1.8m。正常推進期間，除上下隅角外，采場內(nèi)無明顯懸頂。

3號煤層留巷期間頂?shù)装逡平孔畲?15.6mm，平均56.2mm；4號煤層留巷期間頂?shù)装逡平考s50mm，下一工作面回采期間巷道保持完整，變形不大，完全滿足開采要求。

2.3 經(jīng)濟效果分析

目前白皎礦已在20余個采煤工作面進行了切頂卸壓沿空成巷無煤柱開采應(yīng)用，切頂成巷約15000m。節(jié)約回采巷道掘進和矸石提升運輸費4500萬元；多回收煤炭資源0.3Mt，增加產(chǎn)值7200萬元。同時杜絕了瓦斯突出和爆炸事故，瓦斯超限次數(shù)下降85%，消除了因留設(shè)煤柱而引發(fā)的煤層自燃事故，工作面頂板事故率為“0”。芙蓉礦區(qū)每年約有13800m的沿空巷道工程，該技術(shù)推廣應(yīng)用前景廣泛。

3 結(jié) 論

(1)指出厚頂板煤層切頂卸壓自動成巷成功關(guān)鍵在于頂板切落碎脹后能有效支撐上覆巖層，并提出厚頂板煤層切頂卸壓自動成巷切頂深度經(jīng)驗計算公式。

(2)對于近距離薄頂板煤層切頂卸壓自動成巷，由于上分層開采對下分層頂板破壞作用，切頂時要注意保護頂板完整性，可只采用密集鉆孔導(dǎo)向切頂。

(3)經(jīng)過反復(fù)工業(yè)試驗，成功在白皎礦實現(xiàn)了各類頂板條件下沿空切頂卸壓自動成巷無煤柱開采，提出了完整的切頂卸壓自動成巷施工工藝和施工參數(shù)確定方法。留巷在下一工作面回采期間變形較小，可為同類頂板條件下切頂卸壓自動成巷提供借鑒。

[1]袁 亮.低透氣性煤層群無煤柱煤氣共采理論與實踐[J].中國工程科學(xué)，2009，11(5)：72-80.

[2]李化敏.沿空留巷頂板巖層控制設(shè)計[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2000，19(5)：651-654.

[3]康紅普，牛多龍，張 震，等.深部沿空留巷圍巖變形特征與支護技術(shù)[J].巖石力學(xué)與地下工程學(xué)報，2010，29(10)：1978-1987.

[4]張國鋒，何滿潮，俞學(xué)平，等.白皎礦保護層沿空切頂成巷無煤柱開采技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2011，28(4)：511-515.

[5]張國鋒.切頂卸壓沿空成巷機理及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，2010.

[6]陳 勇，郝勝鵬，陳延濤，等.帶有導(dǎo)向孔的淺孔爆破在留巷切頂卸壓中的應(yīng)用研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2015，32(2)：253-259.

[7]何滿潮，郭志飆.恒阻大變形錨桿力學(xué)特性及其工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與地下工程學(xué)報，2014，33(7)：1297-1308.

[責(zé)任編輯：于健浩]

2016-04-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.010

王子越(1988-)，男，山東濱州人，碩士，從事巷道支護理論與技術(shù)研究。

王子越，宋潤權(quán)，黃 偉，等.切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)在不同頂板條件下的應(yīng)用與實踐[J].煤礦開采，2016，21(6)：35-37.

TD823.25

B

1006-6225(2016)06-0035-03