益新煤礦43073工作面緩傾斜煤層切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)應(yīng)用研究

孫錦華

摘 要：益新煤礦與中國礦業(yè)大學(xué)（北京）合作，在三水平北一石門7號(hào)層三段（43073工作面）回風(fēng)巷實(shí)施切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)適應(yīng)性應(yīng)用試驗(yàn)，該試驗(yàn)對自成巷工藝流程及作用機(jī)理進(jìn)行了改進(jìn)和實(shí)踐，同時(shí)作為全國首例在煤層傾角18°條件下留設(shè)上巷回風(fēng)巷的切頂成巷技術(shù)試驗(yàn)應(yīng)用，研究針對試驗(yàn)順槽進(jìn)行了切頂關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，于現(xiàn)場進(jìn)行了成功實(shí)地工程試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：矩形巷道段最終頂?shù)装逡平繛?00mm，兩幫移近量為750mm，拱形巷道段最終頂?shù)装逡平繛?59mm，兩幫移近量為520mm，留巷變形量較小，可以滿足相鄰工作面回采需求。

關(guān)鍵詞：切頂卸壓;自動(dòng)成巷;恒阻大變形錨索;緩傾斜

中圖分類號(hào)：F403.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）07-0183-02

0 引言

現(xiàn)階段，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不僅國外地下采煤的機(jī)械化程度提高，國內(nèi)的機(jī)械化程度也不斷發(fā)展，所以現(xiàn)在煤炭產(chǎn)量呈現(xiàn)出每年增長的局面，但是伴隨而來的煤炭浪費(fèi)現(xiàn)象也非常嚴(yán)重[1]。現(xiàn)在井工礦依舊沿用傳統(tǒng)的開采方式，即留設(shè)煤柱，這種開采方式有著很多缺點(diǎn)，比如說浪費(fèi)煤炭資源，以及巷道掘進(jìn)的工作量增加等，嚴(yán)重制約了礦井煤炭采出率的進(jìn)一步提高，因此亟需優(yōu)化改進(jìn)。

何滿潮院士在2008年提出了“切頂短臂梁理論”以解決上述問題，并在白皎煤礦進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，首次實(shí)現(xiàn)近水平條件下的切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術(shù)[2]。經(jīng)過近幾年的試驗(yàn)應(yīng)用，切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)獲取了大量研究成果，如高玉兵等通過建立力學(xué)模型，分析研究沿空切頂巷道圍巖結(jié)構(gòu)演化過程和力學(xué)作用機(jī)制機(jī)理，提出了切頂成巷穩(wěn)定性控制體系[4];孫曉明等采用數(shù)值模擬和工程試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對薄煤層切頂卸壓沿空留巷切縫角度、切縫高度等參數(shù)進(jìn)行研究[3];何滿潮等基于切頂短臂梁理論，分析無煤柱切頂自成巷技術(shù)原理，綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測，研究了無煤柱自成巷聚能爆破機(jī)制，對工作面和巷道礦壓分布進(jìn)行區(qū)段分析。眾多學(xué)者的研究均集中針對近水平煤層條件，而對于緩傾斜煤層地質(zhì)條件下切頂卸壓自成巷技術(shù)的研究相對欠缺。為進(jìn)一步完善切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)體系，本文以益新煤礦43073緩傾斜煤層作為工程實(shí)例，對該典型條件下的留巷工藝及效果進(jìn)行總結(jié)、分析，研究成果對切頂卸壓自成巷技術(shù)的進(jìn)一步推廣和優(yōu)化具有一定借鑒意義。

1 切頂成巷機(jī)理及工藝流程

在何滿潮院士的“切頂短臂梁理論”下，進(jìn)一步提出了切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術(shù)，該項(xiàng)開采技術(shù)的原理是：對預(yù)留煤礦開采的巷道頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，所采用的錨索為恒阻大變形錨索，為了使得采空區(qū)頂板，以及煤礦巷道頂板兩者之間形成切縫結(jié)構(gòu)面，以此將兩者的應(yīng)力傳遞路徑順利斷開，需要沿著工作面將采空區(qū)側(cè)頂板進(jìn)行超前預(yù)裂切縫，這樣，便能夠改變留巷頂板的受理結(jié)構(gòu)，使其從長臂梁轉(zhuǎn)為短臂梁。在工作面回采之后，采空區(qū)切縫高度范圍內(nèi)的巖層在來壓作用下沿切縫面垮落，從而形成巷幫，以此便形成了無煤柱自動(dòng)成巷。切頂留巷技術(shù)原理圖見圖1。

上文介紹了切頂成巷機(jī)理，依據(jù)現(xiàn)場具體的實(shí)驗(yàn)情況，歸納了相對應(yīng)的工藝流程，總結(jié)步驟如下：第一步，施工恒阻大變形錨索，以此完成對留巷順槽頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù);第二步，在工作面前方一定距離內(nèi)切割縫孔，實(shí)施雙向聚能爆破，以此促進(jìn)頂板切縫的形成;第三步，布置架后臨時(shí)支護(hù)以及擋矸支護(hù)，注意要用單體支柱進(jìn)行臨時(shí)支護(hù);第四步，采空區(qū)頂板沿著切縫面逐漸垮落壓實(shí)并形成巷幫，等到巷道逐漸穩(wěn)定以后，將臨時(shí)支護(hù)逐一撤回，留巷工作便完成了。

2 工程概況及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

試驗(yàn)工作面43073工作面傾斜長度為150m，走向長度為390m，采高3.6m，全工作面平均煤層傾角為18°，工作面地面標(biāo)高為270～364m，工作面標(biāo)高為-170～210m，埋深范圍為440～574m。巷道頂?shù)装鍘r性分布：直接頂為細(xì)砂巖和粉砂巖，厚度分別為1.45m和1.2m;直接底為細(xì)砂巖，厚度6m;基本頂為中礫巖，厚度5.5m;基本底為粗砂巖，厚度19.3m。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

對切頂高度的參數(shù)以及切頂角度參數(shù)進(jìn)行確定。

預(yù)裂切縫高度臨界的公式為：

（1）

在該公式中，H縫代表著預(yù)裂切縫高度;ΔH1代表著頂板的下沉數(shù)量，單位是米;ΔH2代表著底臌數(shù)量，單位是米;K代表著碎漲系數(shù)，一般情況下會(huì)在1.3-1.5的范圍內(nèi)取值。依據(jù)頂板鉆孔的具體情況，碎漲系數(shù)取1.4。根據(jù)益新煤礦的資料可以得知，該煤礦的煤層厚度小，工作面的采高一級設(shè)計(jì)切縫的深度取值，可以不考慮底臌及頂板下沉的情況，數(shù)值分別為3.6米和9.0米。

在設(shè)計(jì)過程中，為了降低切落頂板掉落的時(shí)候?qū)α粝镯敯宓淖饔昧?，也為了讓切縫頂板在掉落的過程中更加順利，切縫孔要和鉛垂線形成一定夾角，該項(xiàng)施工的切縫角度取值為10度。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

3.1 成巷施工過程

根據(jù)上述工藝分析及切縫關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，于現(xiàn)場實(shí)施切頂卸壓無煤柱自成巷試驗(yàn)。主要實(shí)施過程分為恒阻錨索支護(hù)、切縫預(yù)裂爆破、臨時(shí)支護(hù)三個(gè)部分。按照斷面形狀不同，將43073留巷順槽分為前150m矩形巷道和后210m拱形巷道兩段。

煤礦的巷道頂板在切頂留巷過程中，會(huì)遭到多方面的動(dòng)壓影響，包括巷道掘進(jìn)、初次來壓、巷道復(fù)用回采等。所以，要運(yùn)用恒阻大變形錨索來加強(qiáng)巷道頂板的支護(hù)，從而確保成巷過程以及二次服用階段，巷道頂板圍巖的堅(jiān)固和穩(wěn)定程度。

本試驗(yàn)中恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，矩形斷面巷道在原支護(hù)基礎(chǔ)上共布設(shè)2列，第一列恒阻錨索設(shè)計(jì)距原巷幫500mm，間距1000mm，第二列恒阻錨索位于巷道正中央，間距2000mm;拱形斷面巷道位于巷道正中央布設(shè)一列恒組錨索，間距1000mm。，為提高頂板的整體強(qiáng)度，靠近切縫側(cè)第一列恒阻錨索相鄰錨索之間用W鋼帶連接（平行于巷道走向）。

雙向聚能張拉爆破關(guān)鍵技術(shù)是頂板預(yù)裂切縫。該技術(shù)通過炸藥和聚能管的結(jié)合使用，爆破后可在兩個(gè)設(shè)定方向上形成聚能流，并產(chǎn)生集中張拉應(yīng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頂板巖體預(yù)裂。此次是在現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)分析得到預(yù)裂裝藥結(jié)構(gòu)為4+3+2+1，封泥長度為3m，炮孔間距為500mm，采用三級煤礦乳化炸藥，炸藥規(guī)格為Φ28×200mm/卷。

為使留巷在復(fù)用期間能夠滿足正常生產(chǎn)使用需求，留巷需維持一定寬度。工作面開采一定距離后，頂板逐漸開始發(fā)生垮落，且從垮落到頂板穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，因此距工作面較近的架后區(qū)域在頂板原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，還需臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，于43073工作面架后200m范圍留巷段內(nèi)進(jìn)行臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

矩形斷面巷道內(nèi)采用單體液壓支柱臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，單體與碎石幫距離依次為1000mm、2000mm、3400mm、4200mm。成巷穩(wěn)定后，可將臨時(shí)支護(hù)單體液壓支柱撤掉，將切頂卸壓支架移到架后進(jìn)行支護(hù)，只保留U型鋼進(jìn)行擋矸。

拱形斷面巷道內(nèi)同樣采用單體液壓支柱進(jìn)行臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，但由于拱形斷面順槽采用U型棚支護(hù)，對兩幫具有一定支護(hù)效果，因此不再額外實(shí)施U型鋼擋矸支護(hù)。

3.2 成巷效果分析

通過切頂卸壓無煤柱自成巷開采技術(shù)的應(yīng)用，益新煤礦43073工作面輔運(yùn)順槽留巷成功實(shí)施。留巷過程中采用雙十字測點(diǎn)法對巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平窟M(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測測站距離切眼50m，位于矩形段內(nèi)，監(jiān)測測站距離切眼180m，位于拱形段內(nèi)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以看出，根據(jù)頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔兓目炻蓪㈨敯逑鲁吝^程分為兩個(gè)階段：第一階段為從開始開采到工作面推進(jìn)至相應(yīng)測站前30m處的區(qū)間，此階段頂板移近量變化較快，呈現(xiàn)“陡增”趨勢;第二階段為從工作面位于相應(yīng)測站前30m處直至數(shù)據(jù)采集結(jié)束，該階段頂板仍然會(huì)出現(xiàn)持續(xù)下沉，但是下沉速率較第一階段更為緩慢。最終矩形斷面巷道頂?shù)装逡平?00mm，兩幫移近量750mm;拱形斷面巷道頂?shù)装逡平?59mm，兩幫移近量520mm。拱形斷面巷道移近量小于矩形斷面巷道，且兩種留巷斷面均可滿足43072工作面復(fù)采需求。

4 結(jié)論

（1）以益新煤礦緩傾斜煤層43073工作面作為工程實(shí)例，進(jìn)行切頂關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，得到關(guān)鍵參數(shù)：切頂深度9m，切頂角度10°。

（2）以切頂關(guān)鍵參數(shù)為依據(jù)，最終矩形斷面巷道頂?shù)装逡平?00mm，兩幫移近量750mm，拱形斷面巷道頂?shù)装逡平?59mm，兩幫移近量520mm，拱形斷面巷道移近量小于矩形斷面巷道，且兩種留巷斷面均可滿足43072工作面復(fù)采需求。

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