石炭系中厚煤層條件下切頂卸壓自成巷技術(shù)研究

李海清

1 前言

無(wú)煤柱自動(dòng)成巷技術(shù)一般可使采區(qū)回采率提高10%～30%，減少順槽巷道掘進(jìn)量50%，此外在緩解工作面接續(xù)緊張、緩解礦山壓力顯現(xiàn)、減少巷道掘進(jìn)工程量、降低瓦斯涌出以及消除自燃發(fā)火根源等方面也能取得良好效果，使得經(jīng)濟(jì)效益和安全效益大幅提高。本文以某石炭系煤層開(kāi)采礦井地質(zhì)條件為背景，從支護(hù)方案、切頂爆破設(shè)計(jì)以及監(jiān)測(cè)手段等方面詳細(xì)介紹了切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)及工藝，該技術(shù)的成功應(yīng)用為類(lèi)似地質(zhì)條件下實(shí)施無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)提供了一定的參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)工作面概況

石炭系山4#層8304 工作面、8305 工作面為本文試驗(yàn)無(wú)煤柱開(kāi)采的工作面。工作面埋深369 m～396 m，頂板巖性為高嶺質(zhì)泥巖、炭泥巖、高嶺巖、高嶺質(zhì)泥巖，屬軟巖頂板。8304工作面皮帶巷設(shè)計(jì)750 m，斷面（寬×高）5 m×3.1 m，采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)支護(hù)；回風(fēng)巷設(shè)計(jì)750 m，斷面（寬×高）5 m×3.1 m，采用錨桿、恒阻大變形錨索、普通錨索、金屬網(wǎng)支護(hù)；切眼設(shè)計(jì)127 m，斷面（寬×高）8 m×3.1 m，采用錨桿、普通錨索、五眼組合錨索、金屬網(wǎng)支護(hù)。

8305 工作面與8304 工作面按無(wú)煤柱留設(shè)，8305工作面皮帶巷設(shè)計(jì)760 m，面（寬×高）5.1 m×3.4 m，采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)支護(hù)；回風(fēng)巷即為8304工作面回風(fēng)巷；切眼設(shè)計(jì)110 m，斷面（寬×高）8 m×3.1 m，采用錨桿、普通錨索、五眼組合錨索、金屬網(wǎng)支護(hù)。

3 切頂卸壓成巷方案設(shè)計(jì)

方案設(shè)計(jì)思路為：“切頂卸壓自動(dòng)成巷+恒阻大變形錨索支護(hù)”。預(yù)裂切縫爆破能夠在局部范圍切斷工作面頂板應(yīng)力傳遞，從而減弱巷道頂板壓力；恒阻大變形錨索的補(bǔ)強(qiáng)加固能夠控制頂板下沉，使所留巷道圍巖最大限度地發(fā)揮自身承載作用，減小巷道變形，保證留巷效果。工作面推進(jìn)過(guò)程中，所留巷道會(huì)因動(dòng)壓影響出現(xiàn)圍巖破碎及變形等問(wèn)題，需要對(duì)所留巷道采取相應(yīng)的支護(hù)及維護(hù)方案措施。

3.1 巷道錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)在頂板預(yù)裂切頂前先施工恒阻大變形錨索對(duì)切頂側(cè)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固維護(hù)。恒阻大變形錨索共布設(shè)3 列，第一列距切頂留巷幫300 mm，排距1 000 mm；第二列與第一列間距1 800 mm 排距2 000 mm；第三列與第一列間距1 200 mm，排距為4 000 mm。第一列恒阻錨索相鄰錨索之間用W鋼帶連接（W鋼帶平行于巷道走向），恒阻錨索支護(hù)展開(kāi)見(jiàn)圖1。

圖1 恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)巷道展開(kāi)圖

3.2 頂板預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)方案

采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，將特定規(guī)格的炸藥裝在兩個(gè)設(shè)定方向有聚能效應(yīng)的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設(shè)定方向上均勻受壓，而在設(shè)定向上集中受拉，確保巖石能夠按設(shè)定方向爆破拉裂成型，從而實(shí)現(xiàn)被爆破巖體按設(shè)定方向張拉斷裂成型。

預(yù)裂切縫深度（H縫）臨界設(shè)計(jì)公式如下：

式中，ΔH1：頂板下沉量，m；ΔH2：底臌量，m；K：碎脹系數(shù)，1.3～1.5；

根據(jù)頂板巖性，本設(shè)計(jì)K 為1.4，根據(jù)鉆孔資料顯示，煤厚變化不大，在不考慮底臌及頂板下沉的情況下，取工作面最大采高為2.4 m 時(shí)，設(shè)計(jì)切縫深度為6.0 m。切縫孔布置在巷幫與頂板夾角處，與鉛垂線(xiàn)夾角為10°，切縫孔間距為500 mm。

為了更好的適應(yīng)頂板整體巖性，本次預(yù)裂爆破最初先進(jìn)行單孔爆破試驗(yàn)，以此來(lái)觀(guān)察及選擇裝藥量、封泥長(zhǎng)度等合理參數(shù)，然后施工間隔爆破工序，通過(guò)窺視儀觀(guān)察相鄰炮孔間裂隙的連接情況。如兩相鄰裝藥孔間空孔裂紋未達(dá)到裂縫率要求標(biāo)準(zhǔn)，再進(jìn)行一次連續(xù)爆破試驗(yàn)，最終確定一次爆破孔數(shù)以及爆破方式等。

3.3 臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)方案

工作面開(kāi)采后，頂板開(kāi)采垮落，且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，因此距工作面較近的架后區(qū)域不僅需要進(jìn)行頂板支護(hù)，還需進(jìn)行擋矸支護(hù)。根據(jù)以往現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將工作面附近劃分為三個(gè)區(qū)：超前支護(hù)區(qū)（工作面前方30 m），架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)（架后0 m～200 m）和成巷穩(wěn)定區(qū)（架后200 m 之后），不同分區(qū)根據(jù)需要采取不同的支護(hù)措施。

3.3.1 超前支護(hù)區(qū)（煤壁前方0 m～30 m）

采用單體液壓支柱配合“π”型梁進(jìn)行超前支護(hù)，單體支柱采用“一梁三柱”方式垂直巷道布置。超前支護(hù)單體液壓支柱間距1 200 mm，排距1 000 mm，超前支護(hù)π梁與π梁間單體支柱使用硬連接裝置連接。

3.3.2 架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)（架后0 m～200 m）

圖2 架后臨時(shí)支護(hù)側(cè)視圖

此段巷道位于工作面超后影響區(qū)，采空區(qū)頂板巖石垮落會(huì)對(duì)巷道頂板產(chǎn)生一定的摩擦作用，巷道受動(dòng)壓影響明顯，頂板壓力較大。因此，在架后0 m～200 m范圍內(nèi)，采用單體液壓支柱+U29 型鋼進(jìn)行擋矸支護(hù)。單體支柱排距1 000 mm，單體與U 型鋼間距為500 mm。

3.3.3 成巷穩(wěn)定區(qū)（架后200 m之后）

此段巷道受采動(dòng)影響很小，頂板下沉量及單體支柱的壓力變化很小，可認(rèn)為該區(qū)域已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，可將臨時(shí)支護(hù)單體撤掉，只保留U 型鋼可縮支架進(jìn)行擋矸。

3.4 設(shè)計(jì)參數(shù)表

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

4 結(jié)論

4.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

8304工作面于2017年12月1日開(kāi)始生產(chǎn)，2018年4 月結(jié)束（留巷完成），設(shè)備搬家至8305 工作面。8304開(kāi)采留巷期間，尾端頭支架后方有弧形懸板5×8 m2，頂板垮落造成擋矸設(shè)備發(fā)生變形，但整體留巷效果較好。如下圖a 為工作面未開(kāi)采時(shí)的巷道情況，圖b、圖c、圖d 為切頂留巷后的現(xiàn)場(chǎng)效果圖，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，工作面開(kāi)采過(guò)程中超前范圍內(nèi)的壓力顯現(xiàn)不明顯，且應(yīng)力較小；恒阻大變形錨索變形量也較小。

通過(guò)以上切頂卸壓成巷的方案設(shè)計(jì)，8304工作面在開(kāi)采過(guò)程中，僅是因頂板垮落造成擋矸設(shè)備發(fā)生變形，但整體留巷效果較好。

4.2 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

（1）經(jīng)濟(jì)效益：經(jīng)計(jì)算可知，相較于鄰近區(qū)域留設(shè)煤柱的工作面，采用切頂卸壓成巷無(wú)煤柱開(kāi)采工藝可多回收煤量11萬(wàn)噸，若按50元/噸的開(kāi)采利潤(rùn)計(jì)算，可多回收利潤(rùn)550萬(wàn)元。此外，按照掘進(jìn)1米巷道成本3 000 元計(jì)算，本無(wú)煤柱開(kāi)采工藝可少掘一條750 m 巷道，可節(jié)約成本約225萬(wàn)元。

（2）社會(huì)效益：一是減少一條巷道掘進(jìn)的工程量，節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作量；二是實(shí)施無(wú)煤柱開(kāi)采工藝可有效解決上隅角瓦斯超限的問(wèn)題；三是上層煤實(shí)施無(wú)煤柱開(kāi)采，可有效解決開(kāi)采下層煤時(shí)受上層煤柱集中應(yīng)力影響的問(wèn)題。