工作面切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術(shù)

秦紅強(qiáng)

(霍州煤電集團(tuán) 洪洞億隆煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041600)

我國煤炭資源以往的開采絕大部分均采用留設(shè)煤柱的方式來對工作面周邊巷道進(jìn)行保護(hù)，在這種開采方式下，周邊巷道受采動影響較小，圍巖穩(wěn)定性較高，工作人員的人身安全能夠得到有效保障[1-2]，但是卻存在著煤炭資源浪費嚴(yán)重、煤柱應(yīng)力集中、采空區(qū)易發(fā)火等一系列問題，同時對下層煤回采巷道的布置同樣提出了較高要求[3]。隨著煤礦開采技術(shù)的不斷發(fā)展，工作面沿空留巷被廣泛采用，同時切頂卸壓的提出更是對無煤柱沿空留巷技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新，礦井在生產(chǎn)過程中的施工量大幅減少，資源得到了有效回收[4]。

某礦為了保證礦井采掘銜接，減少巷道掘進(jìn)工程量，決定對1-101工作面的軌道巷實施沿空留巷，使該留巷繼續(xù)服務(wù)于下一工作面的回采活動。本文基于1-101軌道巷的地質(zhì)條件，對沿空留巷技術(shù)進(jìn)行探討。

1 工程概況

1-101回采工作面地表無河流、湖泊等水體，雨季地表徑流條件好，蓋山厚度365～368 m，煤層埋藏較深，地表水正常情況下無法滲透到井下。該工作面所回采的煤層為1號煤層，工作面沿走向推進(jìn)，沿傾向布置，其中走向長度1 500 m，傾向長度120 m。所采煤層的平均厚度為2.8 m，采用傾斜長壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝。

1-101工作面軌道巷為矩形巷道，巷道凈寬4.5 m，凈高2.8 m,采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的方式對其進(jìn)行支護(hù)，頂板采用D22 mm×L2 400 mm的左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，間排距為860 mm×1 000 mm；錨索采用D21.6 mm×L7 300 mm的鋼絞線，間排距為1 700 mm×1 000 mm。幫錨桿采用D22 mm×L2 200 mm的左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm。

2 煤層頂?shù)装逍再|(zhì)

詳細(xì)掌握巷道的地質(zhì)條件，明確巷道頂?shù)装甯鲙r層的賦存狀況以及物理力學(xué)屬性，對于選取合理的技術(shù)措施來對1-101軌道巷進(jìn)行沿空留巷具有重要意義。因此，在1-101軌道巷頂?shù)装暹x取合適的位置進(jìn)行打鉆取芯，并將所取巖芯密封后帶回實驗室對其物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 工作面頂?shù)装鍑鷰r賦存情況及力學(xué)參數(shù)

從表1中可以看出，1號煤的偽頂為泥巖，直接頂為中粒砂巖，該巖層為灰黑色，呈薄層狀，并夾有兩層0.2 m和0.1 m的煤線，老頂則為灰白色的粉砂巖，該巖層較為堅硬，以石英為主，呈厚層狀。直接底則為灰黑色的砂質(zhì)泥巖，夾植物化石碎片，半堅硬。由各巖層的物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果可知，1號煤層直接頂、直接底以及老頂?shù)膹?qiáng)度整體較高，而1號煤層的強(qiáng)度偏低。

另據(jù)礦井地質(zhì)資料知，1-101工作面回采過程中共揭露21條小斷層，其中對1-101軌道巷圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響的斷層共有9條，其分布狀況如表2所示。

表2 對巷道圍巖穩(wěn)定性影響較大的斷層分布狀況

斷層的存在必然會對原巖應(yīng)力的分布產(chǎn)生影響，為了掌握工作面以及巷道頂板圍巖受斷層影響的應(yīng)力分布情況，在F10斷層附近選取合適的位置布置了三個地應(yīng)力測站，使用水壓致裂法對其地應(yīng)力分布進(jìn)行了測試，測試結(jié)果顯示三個測站的最大主應(yīng)力均為水平應(yīng)力，分別達(dá)到了13.7 MPa、14.6 MPa和14.82 MPa，所對應(yīng)的側(cè)壓系數(shù)分別為1.32、1.47和1.51。

3 沿空留巷方案

上述測試結(jié)果顯示，1-101軌道巷頂板巖層整體較為堅硬，同時在斷層影響下工作面頂板上覆巖層受水平應(yīng)力影響較大，特別是采空區(qū)頂板發(fā)生回轉(zhuǎn)垮落時，必然會對1-101巷道圍巖穩(wěn)定性造成影響，進(jìn)而使得該巷頂板應(yīng)力分布更為復(fù)雜。所以在對1-101巷道進(jìn)行保留時，應(yīng)及時切斷工作面以及采空區(qū)上覆巖層的應(yīng)力向巷道頂板傳遞的過程，從而使得巷道圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境相對簡單。因此，決定采用切頂卸壓沿空留巷對1-101軌道巷進(jìn)行保留。

由于1-101軌道巷頂板巖層較為堅硬，若對該巷道靠近采空區(qū)一側(cè)的頂板切落，使切落的頂板成為巷道的一幫，則該巷幫能夠?qū)敯暹M(jìn)行有效的支撐。

3.1 切頂卸壓技術(shù)特點

該技術(shù)措施具有如下特點：

1) 切頂卸壓沿空留巷通過定向爆破技術(shù)對巷道頂板上覆巖層進(jìn)行定向切割，進(jìn)而使得采空區(qū)上覆頂板與巷道頂板有效分離，較好地阻止了工作面以及采空區(qū)頂板的應(yīng)力向巷道上方傳遞，巷道所處的應(yīng)力環(huán)境得到有效改善。

2) 可以有效減少采掘比，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3) 井下回采的安全性得到大幅提高。

4) 采空區(qū)頂板的垮落通過前期的欲裂爆破而顯得規(guī)則化，有利于巷道的管理。

3.2 切頂卸壓技術(shù)措施

3.2.1 恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)

采用恒阻大變形錨索對1-101軌道巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)可以有效保證該巷在欲裂爆破和工作面周期來壓時的穩(wěn)定性，同時減小由斷層引起的水平應(yīng)力對巷道頂板的影響。恒阻大變形錨索共布置3列，具體的布置措施如下：巷道頂板垂直布置三列恒阻錨索，第一列恒阻錨索與原支護(hù)方案中的第一排錨索位于同一排，距巷幫右?guī)?00 mm布置一根；第二列恒阻錨索與原支護(hù)方案中的第一排錨索間隔一排布置，距巷道右?guī)? 400 mm布置一根；第三列恒阻錨索與原支護(hù)方案中的第一排錨索間隔兩排，距巷道斷面左側(cè)巷幫1 400 mm布置一根，所用恒阻錨索的型號為D21.8 mm×L8 300 mm，恒阻器長300 mm，外徑72 mm，恒阻值約為330 kN，預(yù)緊力不小于280 kN。

3.2.2 切縫參數(shù)設(shè)計

由于巖石具有碎脹性質(zhì)，通過對位于采空區(qū)一側(cè)的巷道頂板進(jìn)行切縫爆破，使切落后的巖層碎脹接頂，從而對頂板起到一定的支撐作用，有效改善沿空留巷的應(yīng)力環(huán)境。借鑒相關(guān)礦井的施工經(jīng)驗，結(jié)合本礦實際，將切縫高度設(shè)置為5.8 m，切縫角度與垂直方向的夾角為15°，切縫線緊貼巷道右側(cè)，爆破鉆孔間距取為500 mm。巷道布置斷面示意如圖1所示。

圖1 巷道布置斷面示意(mm)

3.2.3 爆破技術(shù)

對鉆孔進(jìn)行欲裂爆破時，每個爆破孔間距為500 mm，孔徑為50 mm，每個孔內(nèi)均安裝3根長度為1 500 mm、外徑為44 mm、內(nèi)徑為37 mm的聚能管，聚能管內(nèi)部又裝有直徑為35 mm、長度為200 mm的乳化炸藥，雷管埋設(shè)在炸藥內(nèi)并接有引線，采用正向爆破技術(shù)。

3.2.4 擋矸支護(hù)

采用切縫爆破后采空區(qū)靠近1-101軌道巷一側(cè)的頂板會被切落，切落的頂板不可避免地會對巷道頂板進(jìn)行擠壓、摩擦，因此當(dāng)工作面推過后，需要對工作面后方0～100 m范圍內(nèi)的巷道布置單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，同時在靠近采空區(qū)一側(cè)的兩架單體液壓支柱之間鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并布置一根工字鋼，防止采空區(qū)內(nèi)的矸石涌入巷道內(nèi)部。單體液壓支柱的布置方式具體為在切縫線旁邊共布置3根液壓支柱，且3根液壓支柱均位于同一排，距切縫線分別為200 mm、900 mm和1 900 mm。排距均為800 mm，滯后臨時支護(hù)如圖2所示。

圖2 滯后臨時支護(hù)示意(mm)

位于采空區(qū)后方超過100 m的巷道待圍巖穩(wěn)定后可將單體液壓支柱撤掉，并對巷道表面進(jìn)行噴漿工藝。

4 留巷效果

使用切頂卸壓沿空留巷無煤柱技術(shù)對1-101軌道巷進(jìn)行保留后，選取合適位置布置測站對其圍巖變形進(jìn)行了為期1個月的現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示巷道頂板下沉量為450 mm，兩幫移近量為500 m，巷道斷面整體較為工整，圍巖穩(wěn)定性較高，可滿足下一工作面的回采要求。