黃陵一號(hào)煤礦中厚煤層切頂卸壓沿空留巷技術(shù)研究

荊 琪 石新禹

（陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦，陜西 延安 727307）

沿空留巷技術(shù)作為無(wú)煤柱開采工藝的方式之一，能夠有效提高煤炭資源回收率，減少回采巷道掘進(jìn)工程量，緩解采掘接續(xù)緊張[1-6]。但由于沿空留巷工藝難度大、受地質(zhì)條件影響嚴(yán)重等原因，仍有部分礦井難以實(shí)現(xiàn)該回采工藝。以黃陵一號(hào)煤礦1009 工作面為研究背景，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，開展中厚煤層切頂卸壓沿空留巷技術(shù)研究。

1 工程背景

黃陵一號(hào)煤礦原有巷道布置方式采用“一進(jìn)一回U 型”布置方式，工作面間區(qū)段煤柱30 m。根據(jù)以往的回采經(jīng)驗(yàn)顯示，30 m 區(qū)段煤柱能夠滿足礦井安全生產(chǎn)需求，但傳統(tǒng)的巷道布置方式造成了煤炭資源浪費(fèi)，因此，在1009 工作面開展沿空留巷開采技術(shù)研究。1009 工作面巷道布置關(guān)系如圖1。

圖1 1009 工作面巷道布置關(guān)系圖

1009 工作面煤層平均厚度2.4 m，傾角0～6°，平均埋深400 m，寬度235 m，推進(jìn)長(zhǎng)度2809 m。工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度9.8 m；基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度9.2 m；直接底為泥巖，平均厚度8.0 m；基本底為細(xì)粒砂巖，平均厚度8.3 m。

2 理論分析

2.1 1009 工作面頂板垮落機(jī)理

根據(jù)煤礦實(shí)際地質(zhì)條件，采用爆破預(yù)裂方式對(duì)頂板進(jìn)行切頂，在采場(chǎng)周期來(lái)壓下控制頂板的回轉(zhuǎn)和變形[7-10]，縮短頂板懸臂梁長(zhǎng)度。初期采用“U29型曲線擋矸柱+單體液壓支柱”聯(lián)合支護(hù)形成巷旁支護(hù)，在留巷距離超過(guò)200 m 后采用垛式支架進(jìn)行支護(hù)，最終形成下一個(gè)工作面的回采巷道。

2.2 1009 工作面爆破預(yù)裂參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）切縫高度

沿空留巷切頂預(yù)裂參數(shù)通常根據(jù)切縫高度，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法進(jìn)行確定，切縫高度主要通過(guò)頂板巖石的碎脹性進(jìn)行確定，見(jiàn)式（1）：

式中，HF為切縫高度，m；HM為煤層厚度，取2.2 m；△H1為頂板下沉量，取0.1 m；△H2為底鼓量，取0.1 m；K為碎脹系數(shù)，取1.3。

根據(jù)1009 工作面實(shí)際地質(zhì)條件，對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行取值，經(jīng)計(jì)算得出，切縫高度為6.7 m?？紤]實(shí)際施工難易程度，在實(shí)際施工過(guò)程中按7 m 進(jìn)行施工。

（2）裝藥量參數(shù)

綜合考慮理論計(jì)算及頂板巖性，頂板預(yù)裂切縫孔參數(shù)為Ф48 mm×7 m；切縫孔距巷道靠采煤面?zhèn)?00 mm，與法線夾角為10°，切縫孔間距500 mm。如圖2。

圖2 1009 輔運(yùn)順槽頂板預(yù)裂縫孔施工斷面圖（mm）

雙向聚能裝藥裝置采用特制雙向聚能管，其規(guī)格為外徑42 mm，內(nèi)徑36.5 mm，管長(zhǎng)1500 mm，安裝于頂板預(yù)裂切縫孔內(nèi)，單孔3 根雙向聚能管，管間采用特制裝置連接。雙向聚能管內(nèi)安裝煤礦許用三級(jí)乳化炸藥和毫秒延期電雷管，自上而下，第一節(jié)、第二節(jié)雙向聚能管均安裝3 卷炸藥，第三節(jié)雙向聚能管內(nèi)安裝2 卷炸藥，炸藥規(guī)格均為Ф32 mm×200 mm/卷，炮泥封孔，炮泥地面提前預(yù)制。

（3）爆破參數(shù)

切縫孔裝2 空1（2 孔裝藥、1 孔不裝藥）為一組，五組為一個(gè)爆破循環(huán)，每天完成兩個(gè)爆破循環(huán)。有效爆破距離15 m，高于工作面每天推采12.8 m 進(jìn)度的需求。

3 沿空留巷數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

根據(jù)1009 工作面實(shí)際地質(zhì)情況，采用MIDAS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算，建立模型共計(jì)115 227 個(gè)節(jié)點(diǎn)，106 720 個(gè)單元，模型尺寸為210 m×100 m×79.5 m。對(duì)模型施加邊界條件，即對(duì)模型四周施加位移約束，底面固支，同時(shí)對(duì)模型頂板施加5 MPa 的均布載荷，代替上覆地層自重。

3.2 模擬方案

模擬方案擬采用循環(huán)開挖工作面的方式代替工作面回采，開挖時(shí)步為每3000 步一個(gè)開挖循環(huán)，同時(shí)對(duì)1009 輔運(yùn)巷的頂板施加弱化處理，代替切頂爆破。根據(jù)工作面開挖后1009輔運(yùn)巷的成巷效果，評(píng)價(jià)1009 工作面沿空留巷實(shí)施工藝。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用布置監(jiān)測(cè)線的方法，提取當(dāng)工作面開挖見(jiàn)方時(shí)，超前煤壁20 m 范圍內(nèi)垂直應(yīng)力與巷道中心關(guān)系，繪制曲線圖如圖3。由圖3 可知，在工作面超前20 m 范圍內(nèi)，側(cè)向支承壓力基本呈先上升、后下降、再上升的趨勢(shì)，1009 輔運(yùn)順槽處在應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)。由此可以推斷，1009 工作面實(shí)施沿空留巷工藝，1009 輔運(yùn)順槽具備一定的成巷條件，沿空留巷布置位置合理。

圖3 超前煤壁20 m 范圍內(nèi)垂直應(yīng)力與巷道中心關(guān)系

采用布置監(jiān)測(cè)線的方法，提取當(dāng)工作面開挖見(jiàn)方時(shí)，超前煤壁20 m 范圍內(nèi)垂直位移與巷道中心關(guān)系，繪制曲線圖如圖4。由圖4 可知，在1009 輔運(yùn)順槽頂板范圍，超前煤壁5 m、10 m、20 m 范圍巷道頂板下沉量呈現(xiàn)先上升、后下降、再上升，峰值分別為13.1 mm、11.3 mm、8 mm。由此可以推斷，采取沿空留巷施工工藝后，1009 輔運(yùn)順槽巷道變形不大，基本滿足巷道成型要求。

圖4 超前煤壁20 m 范圍內(nèi)頂板下沉量與巷道中心關(guān)系

4 工程應(yīng)用

4.1 切頂孔爆破預(yù)裂效果觀測(cè)

沿空留巷的切頂預(yù)裂爆破孔成孔效果及爆破預(yù)裂效果在一定程度上能夠指導(dǎo)工作面切頂作業(yè)，因此，采用礦用本安型鉆孔窺視儀CXK12（A）對(duì)頂板切頂孔進(jìn)行觀測(cè)。

通過(guò)對(duì)施工切頂孔的空孔進(jìn)行切頂效果觀測(cè)，鉆孔窺視結(jié)果如圖5。由圖5 可知，在孔深3 m 處開始出現(xiàn)縱向預(yù)裂切縫，預(yù)裂切縫成縫效果良好。隨著鉆孔深度的增加，在孔深達(dá)到5.5 m 時(shí)切縫裂隙持續(xù)發(fā)育。由此可以推斷，1009 工作面切頂預(yù)裂效果良好。

圖5 鉆孔窺視結(jié)果圖（m）

4.2 工作面礦壓觀測(cè)

采用礦用KJ593 頂板礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)1009 工作面支架載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可知工作面支架載荷分布均勻，峰值為37.4 MPa，未超過(guò)40 MPa，表明采空區(qū)頂板隨著工作面循環(huán)推進(jìn)及時(shí)垮落，1009 輔運(yùn)順槽頂板未發(fā)生懸頂。

5 結(jié)論

（1）對(duì)1009 工作面切頂預(yù)裂數(shù)字模擬分析，發(fā)現(xiàn)1009 輔運(yùn)順槽處在應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)，超前煤壁5 m、10 m、20 m 范圍巷道頂板下沉量呈現(xiàn)先上升、后下降、再上升，1009 輔運(yùn)順槽巷道變形不大，基本滿足巷道成型要求。

（2）1009 工作面沿空留巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，1009 輔運(yùn)順槽切頂預(yù)裂爆破孔在深度3 m 首次出現(xiàn)縱向裂隙，裂隙持續(xù)發(fā)育，切頂效果良好。

（3）對(duì)1009 工作面支架載荷觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)1009工作面支架載荷峰值為37.4 MPa，采空區(qū)頂板隨著工作面循環(huán)推進(jìn)及時(shí)垮落，1009 輔運(yùn)順槽頂板未發(fā)生懸頂，工作面沿空留巷工藝實(shí)施合理。