切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用

高 尚

(西山煤電股份有限公司 馬蘭礦，山西 太原 030205)

實(shí)現(xiàn)煤礦可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵在于合理開(kāi)采，利用現(xiàn)有煤炭資源，提高資源回采率?！扒许斝秹?恒阻大變形錨索支護(hù)”是回采工作面巷道支護(hù)技術(shù)的一項(xiàng)重大革新，是實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采的主要技術(shù)措施之一，技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，符合綠色采礦、科學(xué)采礦的發(fā)展思路，在理論和實(shí)用價(jià)值層面促進(jìn)了無(wú)煤柱技術(shù)的發(fā)展。為此分析了自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用研究成果，探討了該技術(shù)的發(fā)展方向，可為降低掘進(jìn)率及生產(chǎn)成本，提高工效，解決采煤工作面銜接緊張的局面提供借鑒。

1 工作面概況

西山煤電股份有限公司馬蘭礦12605工作面位于南六采區(qū)集中皮帶巷東南側(cè)，工作面東北側(cè)為12603工作面，與本工作面相距23 m，西南側(cè)為未開(kāi)采區(qū)域，切眼東南側(cè)為采區(qū)邊界。

12605工作面屬南六采區(qū)2#煤層，正巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為931 m，切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為220 m，均采用矩形斷面。巷道跟頂跟底掘進(jìn)，坡度4°～9°，工作面基本情況見(jiàn)表1.

12607工作面目前已推進(jìn)50 m，此處為切頂卸壓無(wú)煤柱留巷段起始位置，留巷段切頂卸壓施工終點(diǎn)位置即為停采線位置，設(shè)計(jì)留巷段為700 m.

表1 12605工作面基本情況表

2 切頂卸壓技術(shù)

切頂卸壓預(yù)裂切縫技術(shù)應(yīng)用了聚能效應(yīng)，利用巖石的抗壓怕拉特征。進(jìn)行爆破時(shí)，使巖石朝著特定的方向爆破，以實(shí)現(xiàn)定向爆破效果。此種爆破技術(shù)是綜合了聚能爆破、定向爆破等多種爆破方法，逐步發(fā)展而形成的一項(xiàng)爆破技術(shù)，該技術(shù)施工工藝較為簡(jiǎn)單，易于操作，在操作時(shí)只需要預(yù)先施工好爆破孔，然后雙向裝藥，并使聚能方向?qū)?yīng)于巖體預(yù)裂方向。在此過(guò)程中設(shè)定好方向，使爆破時(shí)在此方向上形成聚能流，并產(chǎn)生張拉應(yīng)力，使預(yù)裂孔能夠沿著能聚的方向進(jìn)行，這樣既能節(jié)約炸藥能耗，也能對(duì)巖石起到保護(hù)作用。

根據(jù)該礦以往切頂卸壓留巷經(jīng)驗(yàn)，合理預(yù)裂切縫深度(H縫)設(shè)計(jì)一般大于2.5倍采高，即H縫≥2.5H煤.

另外，預(yù)裂切縫鉆孔深度與采高、頂板下沉量及底鼓量有關(guān)，一般通過(guò)如下公式確定：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(k-1)

式中：

ΔH1—頂板下沉量，m；

ΔH2—底鼓量，m；

k—碎脹系數(shù)，取1.3～1.5.

泥巖碎脹系數(shù)為1.4，砂巖碎脹系數(shù)為1.3，根據(jù)12605工作面頂板巖性分布可知，切頂范圍內(nèi)泥巖占比約40%，砂巖占比約60%，通過(guò)加權(quán)平均計(jì)算得，采空區(qū)頂板垮落后巖石碎脹系數(shù)k為1.34. 根據(jù)補(bǔ)打鉆孔資料顯示，煤厚變化不大，在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，工作面采高H煤為2.4 m時(shí)，計(jì)算得H縫=7.0 m. 綜合考慮上述計(jì)算結(jié)果，預(yù)裂切縫孔深度設(shè)計(jì)為H縫=7 m.

根據(jù)該礦實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，切縫孔布置在巷幫與頂板夾角處，與鉛垂線夾角為15°，切縫孔間距為500 mm時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的爆破成縫效果最好。切縫鉆孔布置圖見(jiàn)圖1.

圖1 切縫鉆孔布置圖

1) 確定裝藥量和封孔長(zhǎng)度，這需要進(jìn)行單孔試驗(yàn)爆破。2) 觀察兩相鄰裝藥孔的爆破情況，為達(dá)到該目標(biāo)需要進(jìn)行間隔爆破。3) 連續(xù)爆破試驗(yàn)，以此確定爆破方式和爆破孔的數(shù)量，炮孔試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)圖2.

圖2 炮孔參數(shù)試驗(yàn)方案圖

在頂板預(yù)裂切縫技術(shù)中使用的雙向聚能管，其外徑42 mm，內(nèi)徑36.5 mm，長(zhǎng)度1.5 m，使用的炸藥種類(lèi)為煤礦乳化炸藥，用炮泥封孔。

距12605切眼(12607工作面為下接替面，位于12605西南側(cè))50 m處開(kāi)始進(jìn)行切縫鉆孔施工并預(yù)裂爆破，開(kāi)始切縫鉆孔位于非回采側(cè)，即副幫頂角處，在密閉墻里垂直巷道走向布設(shè)兩排鉆孔，排距500 mm. 切縫鉆孔布設(shè)于回采側(cè)，切縫孔間距500 mm，角度15°，鉆頭直徑為48 mm，深度7 000 mm，采用特制聚能管、藥卷及封泥進(jìn)行爆破作業(yè)，12605切眼附近預(yù)裂爆破示意圖見(jiàn)圖3.

3 恒阻大變形錨索支護(hù)技術(shù)

為了保證切頂過(guò)程和周期來(lái)壓期間巷道的穩(wěn)定性，在對(duì)巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂切頂前采用恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)加固。

為使恒阻錨索在留巷的過(guò)程中發(fā)揮較好的懸吊作用，同時(shí)有效保護(hù)錨固端，恒阻錨索長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)為H縫+2.3 m，并確保錨固端位于較穩(wěn)定巖層內(nèi)?？紤]到頂板巖層分布、巷道原有支護(hù)參數(shù)及原有瓦斯鉆孔布置情況，對(duì)恒阻錨索支護(hù)進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，TC750 m—TC600 m區(qū)段(TC600 m之前)恒阻錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度10.3 m，TC600 m—TC50 m區(qū)段(TC600 m之后)恒阻錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度9.3 m.

圖3 12605切眼附近預(yù)裂爆破示意圖

恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)密度一般為每米補(bǔ)打1～2根錨索，另外恒阻錨索主要布設(shè)于切縫側(cè)對(duì)于頂板支護(hù)更為有利。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合巷道原有支護(hù)形式和參數(shù)，恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，共布設(shè)3列，第一列恒阻錨索距留巷正幫500 mm，排距1 000 mm；第二列位于中線布設(shè)，排距6 000 mm；第三列距巷道副幫1 200 mm布置，排距為6 000 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)圖見(jiàn)圖4，巷道支護(hù)展開(kāi)圖見(jiàn)圖5.

圖4 恒阻錨索支護(hù)設(shè)計(jì)圖

該技術(shù)中所使用的錨索，d21.6 mm，長(zhǎng)度為10.3 m或者9.3 m，恒阻器的長(zhǎng)度為450 mm，d68 mm.

切眼及硐室加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)：12605正巷與12607切眼交叉口處，即12607切眼內(nèi)15 m、切眼預(yù)留5 m硐室及12605正巷15 m需進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)，其中12607切眼內(nèi)布設(shè)兩列恒阻錨索，間排距1 600 mm×2 000 mm，錨索長(zhǎng)度10 300 mm；12605正巷內(nèi)布設(shè)4列恒阻錨索，第一列恒阻錨索距留巷正幫500 mm，排距1 000 mm；第二列距巷道正幫1 200 mm布置，排距為6 000 mm. 第三列位于中線布設(shè)，排距6 000 mm；第四列距巷道副幫1 200 mm布置，排距為6 000 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)，切眼交叉口附近恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)圖見(jiàn)圖6.

留巷段的絞車(chē)硐室、材料硐室及排水硐室等，在回采前需進(jìn)行退錨處理。硐室口及前后5 m范圍內(nèi)對(duì)頂板加強(qiáng)支護(hù)。

4 施工工藝

圖5 恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)巷道展開(kāi)圖

圖6 切眼交叉口附近恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)圖

工作面正巷恒阻錨索加固及切頂缷壓總體施工過(guò)程如下：

1) 恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)，按所設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)施工恒阻大變形錨索加固巷道，并在切縫側(cè)恒阻錨索沿著巷道走向添加W鋼帶提高整體支護(hù)性能。

2) 頂板預(yù)裂爆破鉆孔施工及頂板預(yù)裂爆破施工，從工作面留巷段切頂卸壓施工起始位置，即：壓道處開(kāi)始施工爆破鉆孔，爆破鉆孔參數(shù)為：間距500 mm，深度7 000 mm，與垂直方向夾角為15°. 爆破時(shí)，每個(gè)爆破鉆孔安設(shè)4根聚能管，其中三根聚能管長(zhǎng)度為1.5 m，一根聚能管長(zhǎng)度為1 m，孔口封泥長(zhǎng)度為1.5 m，具體裝藥量及爆破方式根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果確定。

3) 架后擋矸支護(hù)，待工作面推過(guò)后，及時(shí)在工作面支架爆破切縫側(cè)進(jìn)行擋矸支護(hù)，在靠近采空區(qū)側(cè)，間距500 mm安設(shè)單體支柱，每?jī)筛鶈误w之間鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并布置可伸縮U型鋼，使用木楔將其緊固，防止可伸縮U型鋼滑動(dòng)；單體必須加設(shè)柱靴增加工作阻力。

4) 噴漿封閉，對(duì)冒落不充分的區(qū)域，整理完好，進(jìn)行噴漿，保證巷道穩(wěn)定性。

5 應(yīng)用效果分析

1) 切頂留巷成本：合計(jì)1 942萬(wàn)元(單價(jià)11 027元/m).

其中，主要包括：切頂投入材料費(fèi)、專(zhuān)家技術(shù)費(fèi)894萬(wàn)元，單價(jià)5 073元/m；該礦投入支護(hù)材料，擋矸材料、封閉材料、爆破材料722萬(wàn)元，單價(jià)4 100元/m；該礦留巷投入的人工費(fèi)及后期維護(hù)人工費(fèi)326萬(wàn)元，單價(jià)1 851元/m.

2) 掘送一條巷道的成本：1 098萬(wàn)元。

相鄰工作面少掘送一條巷道1 800 m，共1 098萬(wàn)元，成本6 100元/m；留巷成本比掘送巷道多投入844萬(wàn)元。

3) 實(shí)際效益：2 688萬(wàn)元。

回收煤柱:4 630萬(wàn)元(多回采原煤11.3萬(wàn)t，原煤價(jià)格410元/t). 切頂留巷成本：1 942萬(wàn)元；新增效益：4 630-1 942=2 688萬(wàn)元。

該礦已回采工作面均采用預(yù)留保護(hù)煤柱的開(kāi)采工藝，資源浪費(fèi)較多，采用自動(dòng)成巷開(kāi)采技術(shù)，降低了相鄰巷道掘進(jìn)礦山壓力顯現(xiàn)的影響，減少了巷道維護(hù)量，有效提高了資源的回收率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。通過(guò)上述經(jīng)濟(jì)分析，該礦使用切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，每條巷道可增加2 688萬(wàn)元的效益。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 秦永洋,許少東,楊張杰.深井沿空掘巷煤柱合理寬度確定及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010,38(2)：15-18