切頂卸壓技術(shù)在雙鴨山礦區(qū)沿空留巷中的應(yīng)用

孫久政，王社新，劉丕利，殷永超

（龍煤集團(tuán)雙鴨山礦業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江 雙鴨山 155100）

0 引 言

礦井回采巷道采用沿空留巷技術(shù)，能夠最大限度地利用煤柱資源，從而減少礦井巷道挖掘次數(shù)，有效緩解采掘接替壓力，同時(shí)降低掘進(jìn)的投入比例，從而達(dá)到減人提效的目的。實(shí)踐證明，采用沿空留巷技術(shù)可帶來明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1-3]。切頂卸壓沿空留巷技術(shù)更是最近一項(xiàng)先進(jìn)的無煤柱護(hù)巷技術(shù)，其技術(shù)原理：通過對(duì)留巷巷道頂部的超前預(yù)裂，回采過程中，利用周期來壓將懸臂梁切落并實(shí)現(xiàn)巷旁垮落填充，從而保留并維護(hù)原回采巷道，作為下區(qū)段工作面的巷道使用[4-9]。為有序推動(dòng)煤炭板塊的綠色采礦技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)煤炭板塊健康可持續(xù)的發(fā)展，雙鴨山礦業(yè)有限責(zé)任公司決定采用該項(xiàng)技術(shù)，以降低掘進(jìn)率及生產(chǎn)成本，提高工效，解決采煤工作面銜接緊張局面。

1 切頂卸壓技術(shù)基礎(chǔ)

根據(jù)工作面回采過程中上覆巖層頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究結(jié)果，在預(yù)裂切頂面形成后[10]，其承載力簡化模型如圖1 所示，圖中，P（x）為巷內(nèi)切頂支柱反作用力集度，q為作用于頂板上的均布載荷，Gm為由于直接頂自身重力產(chǎn)生的重力，LR為沿空巷道寬度，L0為老頂斷裂處深入煤幫長度，L為直接頂懸臂梁的長度，mz代表直接頂厚度，hg為采高，hc為預(yù)裂切縫高度，α為預(yù)裂切縫角度，圖中采空區(qū)上方的虛線部分為直接頂在切頂面破斷下沉觸底后的狀態(tài)。

圖1 切縫時(shí)采空區(qū)受力模型圖

2 切頂卸壓關(guān)鍵技術(shù)

切頂卸壓沿空成巷無煤柱開采技術(shù)的成功實(shí)現(xiàn)[11]，需要借助于一些配套的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 頂板定向聚能預(yù)裂爆破切頂技術(shù)

在保護(hù)頂板完整性的同時(shí)，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道靠近采場頂板的定向預(yù)裂，是實(shí)現(xiàn)切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)的前提。為此，首先按照設(shè)計(jì)施工鉆孔，而后將裝有礦用炸藥的導(dǎo)向聚能管放入炮孔中，使得爆生氣體的能量沿雙向聚能管軸向（開孔方向）釋放，實(shí)現(xiàn)巖石的定向張拉、斷裂，形成切頂面。切縫機(jī)理如圖2 所示。

圖2 頂板定向預(yù)裂切縫機(jī)理

2.2 恒阻錨索控制頂板技術(shù)

由于在切頂沿空留巷過程中，巷道要經(jīng)過初期掘進(jìn)變形、超前動(dòng)壓變形、采場直接頂老頂來壓變形、采后頂板壓實(shí)矸石緩慢變形等幾個(gè)變形階段，所以，巷道形態(tài)呈現(xiàn)了大變形的特點(diǎn)[12]。恒阻預(yù)應(yīng)力錨索具有抗沖擊、大變形、高恒阻的特點(diǎn)。因此，采用恒阻大變形錨索能夠通過自身的大變形控制圍巖因采動(dòng)影響產(chǎn)生的變形，保證圍巖的承載能力和巷道的安全性。

2.3 礦壓實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)

為及時(shí)、準(zhǔn)確的掌握切頂卸壓自動(dòng)成巷期間沿空巷道頂板離層、錨索受力、頂?shù)装逡平惹闆r，采用礦壓監(jiān)測系統(tǒng)（PU 監(jiān)測系統(tǒng)）對(duì)切頂沿空成巷的礦壓變化規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測。并通過礦壓觀測日?qǐng)?bào)表、井下設(shè)備數(shù)據(jù)集中處理分析等方式及時(shí)掌握切頂沿空成巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，防止安全事故發(fā)生。

3 雙鴨山礦區(qū)工程案例

3.1 東保衛(wèi)煤礦沿空成巷應(yīng)用

3.1.1 工作面概況

東保衛(wèi)煤礦36 煤層里部右二16011 工作面，煤層厚1.80～2.05m，平均煤厚1.966 6 m，傾角15°～25°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，煤層埋藏深度已經(jīng)達(dá)900 m，為高瓦斯礦井、沖擊地壓礦井、礦井水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型礦井。煤層無直接頂，基本頂為厚4.5m 的粗砂巖，直接底為厚0.8 m 的中砂巖。

3.1.2 沿空成巷支護(hù)參數(shù)

頂板采用3 排普通錨索和1 排恒阻大變形錨索的非對(duì)稱支護(hù)形式，對(duì)巷道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)加固。且以適應(yīng)頂板非對(duì)稱力學(xué)結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱的變形特點(diǎn)；第1、2 排錨索對(duì)齊設(shè)計(jì)，第2、3 排錨索位置穿插均勻支護(hù)；同時(shí)第3 排普通錨索掛設(shè)3 眼2.6 m 鋼帶，首尾眼相連，配合有大托盤和鎖具；恒阻錨索沿頂板中線布置，錨索長度為8 300 mm，恒阻值不小于35 t，錨索預(yù)緊力不少于28 t。巷道支護(hù)形式如圖3 所示。

圖3 巷道支護(hù)參數(shù)

3.1.3 沿空成巷控制效果

現(xiàn)場采用切頂留巷技術(shù)成功留巷460 m，留巷結(jié)束后的現(xiàn)場情況如圖4 所示。留巷頂板比較完整，從相鄰工作面開采所需巷道的尺寸要求及回采所配套設(shè)備的規(guī)模來看，預(yù)留巷道的斷面尺寸完全符合規(guī)定要求和通風(fēng)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)采煤方法相比，該工程節(jié)省的防沖治災(zāi)費(fèi)用、瓦斯治災(zāi)費(fèi)用、掘進(jìn)施工費(fèi)用、人工材料費(fèi)及多回收煤量等費(fèi)用共計(jì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益逾700 萬元。

圖4 成巷效果圖

3.2 東榮一礦沿空成巷應(yīng)用

3.2.1 工作面概況

東榮一礦北二（-380）16 層右三工作面，煤層平均煤厚1.80 m，工作面平均走向長約412 m，傾向長約180 m，傾角19°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，賦存條件穩(wěn)定，容易自燃，且煤塵具有爆炸性。煤層直接頂為厚4.60 m 的中砂巖，老頂為厚3.50 m 的細(xì)砂巖，直接底為厚0.9 m 的炭質(zhì)頁巖。

3.2.2 沿空成巷支護(hù)參數(shù)

頂板補(bǔ)打2 排恒阻錨索，錨索直徑φ22 mm，長度為分別6 300、12 000 mm。其中長6 300 mm 的恒阻錨索分2 排設(shè)置，第一排距下幫1.4m，第二排距下幫2.9 m，每排恒阻錨索的間距為2.0m；且長度為12 000 mm 的恒阻錨索與下幫側(cè)恒阻錨索同排加密設(shè)置。具體布置方式如圖5 所示。

圖5 巷道支護(hù)參數(shù)

3.2.3 沿空成巷控制效果

該工作面回采423 m，經(jīng)歷多次礦壓顯現(xiàn)之后，累計(jì)成巷388m，留巷段采空區(qū)側(cè)頂板大部分沿聚能爆破預(yù)裂縫以大塊體切落成巷，巷寬均在3.5 m，而且經(jīng)現(xiàn)場觀測，巷幫切落矸石充滿巷幫并且在采后100 m 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)接頂，巷道逐漸趨于穩(wěn)定，在成巷段頂?shù)装迨諗孔冃沃禐?50 mm，錨索最大受力值為215 kN，達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康?。錨索測力計(jì)位移速度曲線如圖6 所示，

圖6 錨索測力計(jì)位移速度曲線圖

3.3 雙陽煤礦沿空成巷應(yīng)用

3.3.1 工作面概況

雙陽煤礦位于雙鴨山市寶清縣境內(nèi)，行政區(qū)隸屬雙鴨山寶山區(qū)。西五采區(qū)4 層左二工作面煤層厚1.2～1.8 m，傾角 10°～13°，為緩(傾)斜煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，賦存條件穩(wěn)定，采用走向長壁后退式采煤方法，一次采全高，全部垮落法控制頂板。煤層直接頂為厚4.95 m 的細(xì)砂巖、粉砂巖，老頂為厚4.8 m 的灰白色長石英，直接底為厚4.4 m 的灰色粉砂巖。

3.3.2 沿空成巷支護(hù)參數(shù)

為確保留巷成功，采取頂板密集錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)形式對(duì)巷道頂板進(jìn)行再維護(hù)：頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索采用直徑φ21.8 mm，長度8 300 mm 的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，呈4排矩形布置，近上幫位置的補(bǔ)強(qiáng)錨索距上幫1.0 m，間、排距：0.8 m×0.8 m，其頂端錨固在頂板相對(duì)較堅(jiān)硬的巖層中。錨索托盤采用0.3 m×0.3 m 高強(qiáng)度托盤，內(nèi)側(cè)掛金屬網(wǎng)，下幫側(cè)錨索采用W 型鋼帶進(jìn)行縱向連鎖。具體布置方式如圖7 所示。

圖7 巷道支護(hù)參數(shù)

3.3.3 沿空成巷控制效果

該工作面設(shè)計(jì)留巷長度480 m，留巷結(jié)束后的現(xiàn)場情況如圖8、圖9 所示。采空區(qū)頂板隨著煤層回采而逐步切落，機(jī)巷采空區(qū)側(cè)頂板大部分沿定向預(yù)裂切頂縫以大塊體切落成巷，巷幫斷面成型效果良好，留巷頂板完整未破壞，切落頂板以塊狀散體堆落到采空區(qū)側(cè)形成留巷的側(cè)幫，沿空留巷穩(wěn)定后能滿足生產(chǎn)及通風(fēng)要求。

圖8 矸石壓實(shí)效果圖

圖9 留巷整體效果圖

4 結(jié) 論

1）切頂卸壓無煤柱開采的原理為：通過對(duì)采場頂板實(shí)施主動(dòng)切頂，并通過切落頂板本身的碎脹特性撐起采場老頂運(yùn)動(dòng)，減少采場頂部活動(dòng)壓力對(duì)沿空巷道圍巖壓力的傳遞，實(shí)現(xiàn)降低沿空巷道圍巖壓力的目的，保證回采順槽的正常安全使用。

2）雙鴨山礦區(qū)的工程應(yīng)用表明，采用卸壓沿空切頂成巷無煤柱開采技術(shù)后，沿空巷道變形很小。將大大豐富我國煤礦工作面礦壓控制及沿空巷道維護(hù)的理論與實(shí)踐，可為類似工作面來壓切頂控制步距及沿空巷道維護(hù)工程推廣提供有益的經(jīng)驗(yàn)和模式。