綜采工作面切頂卸壓成巷試驗(yàn)研究

沈玉旭 孟敬亭 郭帥

【摘 要】 為解決某礦工作面回采巷道變形嚴(yán)重、巷道不穩(wěn)定的難題，文章中采用無(wú)煤柱沿空留巷的技術(shù)，對(duì)31201工作面巷道頂板進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破切頂，確定爆破的炮孔間距、炮孔傾角、炮孔長(zhǎng)度、裝藥結(jié)構(gòu)等主要參數(shù)，并用恒阻大變形錨索加強(qiáng)支護(hù)，確保巷道穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明：31201工作面巷道切頂卸壓后，頂板最大離層45mm，恒阻大變形錨索最大拉力257kN，多回收煤炭2.5萬(wàn)噸，資源回采率提高了3%，保證了巷道穩(wěn)定性，同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)效益。本文的研究成果給類似的工程問(wèn)題提供了借鑒。

【關(guān)鍵詞】 切頂卸壓;沿空留巷;無(wú)煤柱;爆破切頂

【中圖分類號(hào)】 TD45 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）01-0003-03

隨著煤炭資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，資源量越來(lái)越少。綜采工作面之間一般留設(shè)20～30m的保護(hù)煤柱，造成了資源的大量浪費(fèi)，而且遺留煤柱造成下部煤層開(kāi)采時(shí)應(yīng)力集中、巷道變形嚴(yán)重等問(wèn)題。小煤柱沿空掘巷解決了一部分上述問(wèn)題，而無(wú)煤柱沿空留巷能徹底解決遺留煤柱的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在沿空留巷方面做了大量研究，傳統(tǒng)的無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)是在巷道采空區(qū)側(cè)充填，保留住原有巷道作為下區(qū)段巷道使用，但是傳統(tǒng)工藝比較復(fù)雜，而且施工速度慢，成巷后巷道變形量大，后期維護(hù)困難，何滿潮院士提出了切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，經(jīng)過(guò)大量的理論和現(xiàn)場(chǎng)研究解決了快速成巷、巷道穩(wěn)定等難題。某礦31201工作面采用爆破切頂?shù)姆椒ㄑ乜樟粝铮鉀Q了上述問(wèn)題，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

1工作面概況

31201工作面回采3-1煤，傾向長(zhǎng)度為311.4m，走向長(zhǎng)度為1865m;煤層厚度2.5～3.8m，平均3m。煤層傾角1～3°，整體呈現(xiàn)正坡回采。工作面基巖厚度55.5～130m，埋深109.2～132.2m，與2-2煤層間距34.5～39m。

工作面上覆基巖厚度85～123m，松散層厚度3.7～50.5m。煤層直接頂為中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖，厚度6.1m;老頂為泥巖、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖，厚度約18.4m;直接底為泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖，厚度約5.1m。煤層頂?shù)装逯鶢顖D見(jiàn)圖1。

2預(yù)裂爆破參數(shù)

超前工作面100m進(jìn)行預(yù)裂爆破，使頂板形成貫通裂縫，確保工作面推進(jìn)后頂板能夠及時(shí)垮落，并充滿采空區(qū)。預(yù)裂爆破的主要參數(shù)有：炮孔間距、炮孔傾角、炮孔長(zhǎng)度、裝藥結(jié)構(gòu)等。

2.1炮孔間距

此次爆破的目的是使相鄰炮孔形成貫通裂縫，主要利用的是爆破后產(chǎn)生的裂隙區(qū)，根據(jù)爆破Mises準(zhǔn)則計(jì)算裂隙區(qū)半徑，結(jié)合以往爆破經(jīng)驗(yàn)以及試爆的效果，最終確定炮孔間距600mm。

2.2炮孔傾角

切頂?shù)慕嵌葘?duì)采空區(qū)頂板的垮落以及巷道圍巖的穩(wěn)定性有一定的影響。巷道切頂工作面推進(jìn)后，采空區(qū)上方巖體和巷道上方巖體發(fā)生斷裂，切頂?shù)慕嵌炔煌?，采空區(qū)懸頂范圍不同，頂板的垮落程度也不同，超前應(yīng)力大小區(qū)域也不同，通過(guò)比較類似工程條件下巷道，最佳切縫角度10°。

2.3炮孔長(zhǎng)度

炮孔的長(zhǎng)度以切頂后采空區(qū)垮落巖石充滿采空區(qū)，保證上覆巖層不懸空，炮孔的垂直距離可以根據(jù)公式（1）計(jì)算得到：

H垂=H煤/（K-1）（1）

式中：H垂為炮孔切頂?shù)拇怪备叨龋琺;H煤為煤層的垂直厚度，m，取3m;K為巖石的冒落碎脹系數(shù)（1.3～1.5），取1.4。

經(jīng)計(jì)算H垂為7.5m，即炮孔的垂直高度為7.5m，最終炮孔長(zhǎng)度定為8m。炮孔傾角10°，由于傾角較小基本可以忽略傾角對(duì)炮孔長(zhǎng)度的影響。

2.4裝藥結(jié)構(gòu)及藥量

本次爆破炮孔直徑48mm，聚能管內(nèi)徑36.5mm，藥卷直徑35mm，每根藥卷長(zhǎng)200mm，裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

爆破的目的是為了形成貫通裂縫，因此藥量不能太大，聚能管的作用就是把爆炸后的能量盡可能多的向炮孔連線方向聚集，聚能管每根1.5m。裝藥采用間隔裝藥：第一級(jí)裝4根藥卷，第二級(jí)裝3根藥卷，第三級(jí)裝1根藥卷，每級(jí)藥卷之間間隔不小于1m，每級(jí)安裝一個(gè)起爆雷管，串聯(lián)連接，正向起爆，封孔長(zhǎng)度不小于2m。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中的薩道夫斯基公式計(jì)算一次最多起爆8個(gè)炮孔。

3巷道支護(hù)

工作面向前推進(jìn)后，為了保證巷道穩(wěn)定，巷道采空區(qū)側(cè)和頂板需要二次支護(hù)。

3.1采空區(qū)側(cè)支護(hù)

為了防止工作面推進(jìn)后采空區(qū)垮落的巖石進(jìn)入巷道，因此需要在工作面液壓支架后方30m范圍內(nèi)對(duì)采空區(qū)側(cè)進(jìn)行支護(hù)，具體的支護(hù)形式采用“單體液壓支柱+立桿+鋼筋金屬網(wǎng)”進(jìn)行支護(hù)，采空區(qū)側(cè)支護(hù)見(jiàn)圖3。

單體液壓支柱距巷幫300mm，間距1200mm，立桿上端插入切縫炮孔，下端臥底200mm，立桿間距1200mm，鋼筋金屬網(wǎng)與立桿捆扎在一起，金屬網(wǎng)采用尺寸2300mm×800mm，規(guī)格50mm×50mm，鋼筋網(wǎng)之間重疊100mm，采空區(qū)側(cè)金屬網(wǎng)要與原巷道頂板支護(hù)金屬網(wǎng)搭接，搭接不少于100mm;液壓支架后方30m-100m范圍內(nèi)采用單體液壓支柱支護(hù)，間距1000mm，單體支柱保持一條直線。當(dāng)巷道穩(wěn)定后，撤除單體液壓支柱，并對(duì)采空區(qū)側(cè)進(jìn)行噴漿處理，防止漏風(fēng)、有毒有害氣體漏出等問(wèn)題。

3.2頂板加強(qiáng)支護(hù)

為了防止切頂以及頂板來(lái)壓時(shí)頂板下沉，必須在預(yù)裂爆破切頂前對(duì)頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，采用恒阻大變形錨索加固巷道。恒阻大變形錨索直徑21.8mm，長(zhǎng)度9000mm，恒阻值33t±2t，預(yù)緊力為28t，排距2000mm，恒阻器直徑65+3mm，恒阻器長(zhǎng)度500mm，相鄰恒阻錨索間采用W型鋼帶連接，巷道支護(hù)形式見(jiàn)圖4。

4現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

為了檢驗(yàn)試驗(yàn)效果，對(duì)沿空留巷的巷道進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測(cè)、頂板離層監(jiān)測(cè)、錨索受力和變形量監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：兩幫最大移近量60mm，頂?shù)装逡平孔畲?05mm，頂板最大離層45mm，恒阻大變性錨索最大拉力257kN。兩幫及頂?shù)装逡平壳€見(jiàn)圖5。

31201工作面無(wú)煤柱開(kāi)采與相鄰工作面15m煤柱相比，多回收煤炭2.5萬(wàn)噸，資源回采率提高了3%，保證了巷道穩(wěn)定性，同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)效益。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)31201工作面地質(zhì)條件的分析，確定預(yù)裂爆破切頂?shù)母鞣N參數(shù)，最終確定炮孔間距600mm，炮孔傾角10°，炮孔長(zhǎng)度8m，爆破效果良好。

預(yù)裂爆破切頂前進(jìn)行恒阻大變形錨索加固支護(hù)，工作面推進(jìn)后對(duì)支架后方30m范圍采空區(qū)側(cè)二次支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明留巷穩(wěn)定，巷道變形量可控。

31201工作面沿空留巷后多回收了2.5萬(wàn)噸煤炭，資源回采率提高了3%，增加了經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

[1]錢鳴高，石平五，許家林，等.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010：194-202.

[2]韓昌良.沿空留巷圍巖應(yīng)力優(yōu)化與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2013：53-66.

[3]李勝，李軍文，范超軍，等.綜放沿空留巷頂板下沉規(guī)律與控制[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015，40（9）：1989-1994.

[4]何滿潮，張國(guó)鋒.白皎礦保護(hù)層沿空切頂成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28（4）：511-513.

[5]張農(nóng)，韓昌良，闞甲廣，等.沿空留巷圍巖控制理論與實(shí)踐[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（8）：1635-1641.

[6]何滿潮，陳上元，郭志飚，等.切頂卸壓沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)控制及其工程應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，46（5）：959-969.

[7]宋立兵.神東礦區(qū)切頂卸壓成巷技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44（8）：80-85.

[8]何滿潮，高玉兵，楊軍，等.無(wú)煤柱自成巷聚能切縫技術(shù)及其對(duì)圍巖應(yīng)力演化的影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36（6）：1314-1325.

[9]高玉兵，郭志飚，楊軍，等.沿空切頂巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)分析及恒壓讓位協(xié)調(diào)控制[J].煤炭學(xué)報(bào)，2017，42（7）：1672-1681.

[10]郭志飚，王將，曹天培，等.薄煤層切頂卸壓自動(dòng)成巷關(guān)鍵參數(shù)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，45（5）：879-885.

[11]譚云亮，于鳳海，寧建國(guó)，等.沿空巷旁支護(hù)適應(yīng)性原理與支護(hù)方法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，41（2）：376-382.

[12]楊漢宏，薛二龍.淺埋深條件下切頂卸壓留巷技術(shù)研究[J].煤炭工程，2017，49（1）：31-33，37.