切頂卸壓支護(hù)技術(shù)在漳村煤礦應(yīng)用

何 良

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

我國煤礦回采巷道的布置方式采用沿空掘巷越來越廣泛，沿空巷道的支護(hù)效果和留設(shè)的煤柱尺寸有關(guān)，煤柱過寬利于巷道維護(hù)，但浪費(fèi)資源，煤柱過窄，巷道位于上區(qū)段已回采工作面的應(yīng)力升高區(qū)，巷道頂板巖層回轉(zhuǎn)垮落需要6個(gè)月左右時(shí)間，不利于礦井的正常生產(chǎn)接替。漳村煤礦經(jīng)過60多年的開采，可采煤炭儲(chǔ)量已近枯竭，為提高資源回收率，保證工作面的正常接替，減少巷道支護(hù)成本投入，延長礦井服務(wù)年限，漳村煤礦在26采區(qū)2601工作面風(fēng)巷提出了超前切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)，改善了圍巖應(yīng)力環(huán)境，支護(hù)效果明顯。

1 工程概況

漳村煤礦26采區(qū)位于+480 m水平中部， 2601工作面東面為25采區(qū)，西面為27采區(qū)，南面為+480 m水平開拓大巷，北面為井田邊界。開采煤層為下二疊統(tǒng)山西組下部的3號煤，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤質(zhì)為貧煤。

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，工作面中部的向斜構(gòu)造為其主要控制構(gòu)造，軸部傾伏方向?yàn)镾W，兩翼坡度為4～6°，受其影響，工作面顯示為中間低，兩邊高，平均高差為30 m。2601工作面風(fēng)巷斷面設(shè)計(jì)為矩形，巷寬5.2 m、高3.5 m；沿空掘巷2603風(fēng)巷位于2601工作面東側(cè)，與2601風(fēng)巷平行布置，間距15 m(中-中)，巷寬5.6 m、高3.8 m。

2 切頂卸壓沿空掘巷圍巖控制原理

利用“定向斷裂切頂卸壓圍巖控制原理”，即在上區(qū)段工作面下順槽煤幫側(cè)沿巷道軸向全長預(yù)先斷裂成縫，老頂能隨工作面推移而及時(shí)沿預(yù)裂縫切落下來，切斷 A 巖塊和 B 巖塊的層間聯(lián)系，為窄煤柱沿空巷道圍巖控制提供良好的應(yīng)力環(huán)境。其作用有兩個(gè):其一，促使采空區(qū)頂板及時(shí)沿裂縫垮落下來，老頂垮落觸矸提早趨于穩(wěn)定，減少老頂殘余支承壓力影響時(shí)間；其二，促使上下區(qū)段老頂失去橫向聯(lián)系，減少“弧形三角板”B 塊回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的影響，避開殘余支承壓力的影響區(qū)域。因此，在相鄰工作面巷道切頂卸壓之后，在壓力值明顯減小的煤層中掘進(jìn)巷道，巷道支護(hù)成本和支護(hù)難度將大大降低。

3 切頂卸壓支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

3.1 切頂高度

窄煤柱沿空掘巷切頂高度公式為：

式中：Hm為斷頂高度，m；hi為頂板分層厚度，m；M為采高，3 m；Kp為垮落矸石碎脹系數(shù)，取1.2 m。

經(jīng)計(jì)算斷頂高度Hm=15 m。結(jié)合切頂卸壓原理和老頂厚度，確定最終切頂高度為20 m。

3.2 切頂角度

為了模擬采動(dòng)過程中頂板的破斷及切頂參數(shù)對沿空掘道圍巖穩(wěn)定性的影響，揭示巖體內(nèi)部的變形破壞機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，采用三維離散元軟件3DEC，分析切頂角度對巷道頂板卸壓的影響，研究角度分別為-10°、-5°、0°、5°、10°和15°。

從老頂監(jiān)測曲線對比可以看成：老頂垂直應(yīng)力分布曲線突然下降的位置就是老頂預(yù)裂位置，表明人工定向預(yù)裂切頂卸壓控制技術(shù)可以有效地切斷老頂層間的應(yīng)力傳遞，將老頂長懸臂結(jié)構(gòu)切斷形成短懸臂，切落的巖石由于碎漲作用支撐處于彎曲下沉的上覆巖層。對比分析不同切頂角度對老頂垂直應(yīng)力的影響曲線，當(dāng)切頂角度為-10°、-5°和0°時(shí)，垂直應(yīng)力下降的位置分布在2601回風(fēng)巷左側(cè)，這個(gè)角度進(jìn)行人工預(yù)制裂縫時(shí)，老頂巖層水平鉸接形成結(jié)構(gòu)，并不利于老頂切落，導(dǎo)致老頂垂直應(yīng)力偏高。當(dāng)切頂角度為5°和10°時(shí)，老頂垂直應(yīng)力分布曲線近似，但垮落形態(tài)有所區(qū)別，角度為10°時(shí)更有利于老頂切落后發(fā)生旋轉(zhuǎn)垮落。當(dāng)切頂角度為15°時(shí)，隨著切頂角度的增加，更有利于老頂發(fā)生旋轉(zhuǎn)垮落，但從應(yīng)力曲線可以看出，老頂應(yīng)力不穩(wěn)定且明顯偏高，表明切頂角度越大，老頂上部巖層懸臂長度越長，導(dǎo)致煤柱應(yīng)力增加。模擬結(jié)果表明切頂角度為10°時(shí)，更有利于頂板巖層沿預(yù)制裂縫垮落，有助于使巖層沿預(yù)制裂縫垮落，如圖1所示。

圖1 不同切頂角度上覆巖層垂直應(yīng)力監(jiān)測曲線

3.3 預(yù)裂爆破參數(shù)

1) 炮孔間距。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，深孔預(yù)爆破弱化頂板兩孔之間最大作用范圍為2 m。

圖2 爆破鉆孔布置示意

2) 爆破時(shí)機(jī)。為了達(dá)到預(yù)期的效果，即在來壓時(shí)頂板能沿著預(yù)制裂縫垮落，而且不影響工作面的正常推進(jìn)，打孔、爆破和回采在工藝上必須相互協(xié)調(diào)。參考2601工作面初次來壓步距和周期來壓步距，在工作面超前30 m進(jìn)行預(yù)裂爆破，保證采空區(qū)頂板在周期來壓作用下，能夠沿著預(yù)制裂縫切落。

3.4 超前支護(hù)

超前支護(hù)采用“錨索懸吊梁”加強(qiáng)支護(hù)。

1) 錨索規(guī)格。材料為D22 mm×9 300 mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，排距1 800 mm，錨索托盤采用300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度平托板及配套球墊、鎖具。

2) 懸吊梁規(guī)格。懸吊梁采用礦用11號工字鋼加工，長度為3 500 mm，布置有2個(gè)錨索孔，孔間距為1 800 mm，在錨索孔位置用14 mm方形鋼板墊片加固。在2601風(fēng)巷頂板靠近煤柱側(cè)500 mm處沿巷道方向采用錨索懸吊梁加強(qiáng)支護(hù)，如圖3所示。

圖3 巷道圍巖加強(qiáng)支護(hù)(mm)

4 切頂卸壓支護(hù)效果

現(xiàn)場打鉆及窺視效果如圖4所示。從圖可以看出，定向預(yù)裂爆破具有良好的定向作用，孔內(nèi)沿兩側(cè)形成貫通裂隙，保護(hù)孔壁非定向位置的完整性，起到了人工定向預(yù)裂爆破的效果。

圖4 現(xiàn)場定向預(yù)裂爆破效果窺視

5 結(jié) 語

漳村煤礦2601風(fēng)巷和2603進(jìn)風(fēng)巷采用定向預(yù)裂切頂卸壓控制技術(shù)后，有效減少了巷道圍巖變形量，減輕了煤柱承擔(dān)的上覆巖層載荷，使圍巖應(yīng)力集中向深部區(qū)域轉(zhuǎn)移，從而優(yōu)化圍巖應(yīng)力環(huán)境，降低了巷道的維護(hù)成本。切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)在實(shí)施過程中，巷道頂板下垂、片幫、底鼓及沖擊礦壓等現(xiàn)象得到明顯改善。項(xiàng)目實(shí)施以來，巷道施工累計(jì)長度1 350 m，返修材料費(fèi)按照3 000元/m，人工費(fèi)按照1 200元/m計(jì)算，巷道維修費(fèi)共計(jì)節(jié)省567萬元。該技術(shù)不僅在整個(gè)潞安礦區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景，而且在國內(nèi)類似條件的礦區(qū)也有重要的借鑒意義和推廣價(jià)值。