店坪礦切頂卸壓無煤柱開采設計方案研究

馬俊生

(山西焦煤集團公司 安監局，山西 太原 030024)

店坪礦切頂卸壓無煤柱開采設計方案研究

馬俊生

(山西焦煤集團公司 安監局，山西 太原 030024)

介紹了店坪煤礦5-200工作面的總體情況，根據預留巷道周圍的地質條件，通過對中國礦業大學(北京)切頂卸壓理論的研究，經過一系列理論計算及方案論證，決定采用切頂卸壓沿空留巷無煤柱技術開采方案，并設計了切頂留巷頂板預裂爆破參數，提出了切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采設計方案；已在店坪煤礦5-200采煤工作面推廣應用，取得了階段性的良好效果、較好的安全評價和經濟效益。

切頂卸壓；沿空留巷；無煤柱開采；預裂爆破

1 礦井5-200工作面概況

店坪煤礦位于山西省呂梁市方山縣大武鎮王家莊村一帶，行政區劃屬方山縣大武鎮管轄。井田面積13.530 2 km2，均為自燃煤層，屬于低瓦斯礦井，

工作面位于830水平二采區右翼，工作面東為5-204采空區，西為830系統大巷，南為實體煤，北為井田邊界。工作面上部已全部開采，上部采空區無積水。工作面面長220 m，采用長壁式采煤方法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。5-200工作面采用110工法自動成巷技術，設計留巷巷道為5-2002回風巷，設計留巷長度為1 088 m. 工作面布置示意圖見圖1.

圖1 5-200工作面切頂卸壓沿空成巷無煤柱開采施工位置示意圖

2 方案設計論證

采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護”為主體的設計方案，通過預裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，減弱巷道頂板壓力，且預裂爆破能夠很好地保護巷道頂板完整性。利用恒阻大變形錨索進行補強加固，控制頂板下沉，使所留巷道圍巖能夠最大限度地發揮自身承載作用，減少巷道變形，保證留巷效果。工作面推進過程中，預留巷道會受到動壓影響，需要對所留巷道采取相應的支護措施，因此提出以下設計方案：

2.1 恒阻大變形錨索設計方案

為了保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩定性，在對巷道頂板進行預裂切頂前采用恒阻大變形錨索補強加固。恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，共布設2列，第一列恒阻錨索距留巷幫500 mm，排距1 000 mm；第二列恒阻錨索在巷道中間布置，第二列恒阻錨索排距為2 000 mm. 第一列恒阻錨索相鄰錨索之間用W鋼帶連接(W鋼帶平行于巷道走向)。

考慮到切縫參數及巷道原設計支護方式，恒阻大變形錨索直徑取為21.8 mm，長度取為10.5 m，恒阻器長500 mm，外徑72 mm，恒阻值為33±2 t，預緊力不小于28 t.

2.2 頂板預裂切縫設計方案

采用雙向聚能爆破預裂技術，將特定規格的炸藥裝在兩個設定方向有聚能效應的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設定方向上均勻受壓，而在設定向上集中受拉，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巖石按設定方向拉裂成型，從而實現被爆破體按設定方向張拉斷裂成型。

該爆破技術是在對比研究多種聚能爆破和定向爆破方法的基礎上發展起來的一種新型聚能爆破技術，施工工藝簡單，應用時只需要在預裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向對應于巖體預裂方向。爆轟產物將在兩個設定方向上形成聚能流，并產生集中張拉應力，使預裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預裂面。由于鉆孔間的巖石是斷裂的，爆破炸藥單耗將大大下降，同時由于聚能裝置對圍巖的保護，鉆孔周邊巖體所受損傷也大大降低，可以達到實現預裂的同時又可以保護巷道頂板。預裂切縫深度(H縫)臨界設計公式如下：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

式中：

ΔH1—頂板下沉量，m；

ΔH2—底鼓量，m；

K—碎脹系數，取1.3～1.5.

根據頂板巖性，K取1.4，工作面采高取最大值3.1 m時，設計切縫深度為8.0 m. 切縫孔布置在巷幫與頂板夾角處，與鉛垂線夾角為15°，切縫孔間距為500 mm. 炮孔試驗參數及切縫布置見圖2.

圖2 炮孔參數試驗方案圖

首先根據方案設計進行單孔試驗，最終確定一次爆破孔數以及爆破方式等。

雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內徑為36.5 mm，管長1 500 mm. 聚能爆破采用三級煤礦乳化炸藥，擬采用炸藥規格為d35 mm×200 mm/卷，爆破孔口采用炮泥封孔。具體裝藥參數需根據以下試驗方案通過現場試驗確定。

由于切頂成巷后加設支護，故隨工作面推進工作面支架移動后不容易跨落，無法形成較為完整新幫，對工作面防滅火造成較大影響，故在此位置需進行特殊的切頂及相關設計。擬采取通過降低工作面支架等措施對原有支護錨桿(索)進行退桿(索)處理，并在運輸巷切眼位置頂板隔500 mm布置切縫孔，角度15°，鉆頭直徑為48 mm，深度8 000 mm，與運輸巷其他位置一致。采用前述雙向聚能管采用特制聚能管、藥卷及封泥進行爆破作業。

3 施工過程設計

5-2002工作面回風巷恒阻錨索加固及切頂缷壓總體施工過程如下：

第一步：恒阻錨索加強支護。

第二步：頂板預裂爆破鉆孔施工及頂板預裂爆破施工，在保證恒阻大變形錨索超前加固≥20 m的前提下，按工作面推進方向，對5-2002回風巷進行爆破預裂切縫，形成切頂缷壓預裂切縫線，一次性在整個巷道完成爆破預裂切縫。

第三步：超后檔桿支護，待工作面推過后，及時在端頭支架后方進行檔桿支護，及時設置門式支架；在靠近采空區側每兩根單體之間鋪設鋼筋網并布置一根U型鋼可縮支架，并使用木楔將其緊固；單體及U型鋼可縮支架必須加設柱靴增加摩擦力，必要時頂板加木楔，防止支柱及U型鋼可縮支架滑動。為防止漏風現象發生，擬采取在鋼筋網與工字鋼之間鋪設風筒布，高度取3.4 m，上下各超出20 cm，超出部分分別固定到頂底板，并進行有效封閉。

第四步：噴漿，待頂板垮落并穩定后，對垮落不充分的地方進行填充，整理巷道形狀滿足使用要求，并進行噴漿，保證巷道穩定，噴漿厚度不小于100 mm，混凝土強度達到C20以上，根據現場情況，為防止混凝土開裂，可使用鋼纖維混凝土進行現場試驗，保證穩定區有效封閉采空區。

4 監測方案設計論證

4.1 測站布置方案

距5-2002工作面回風巷50 m范圍內，每5架布置一個測點，工作面其余位置每13架布置一個測點。5-2002回風巷留巷段內共布置28個測站，每50 m布置一個測站，每個測站由1套頂板離層監測儀、1套恒阻錨索受力監測儀及一套單體支柱受力及縮量監測系統組成，頂底板移近量監測設備根據實際情況進行布置。

4.2 巷道頂底板移近量監測

用收斂儀分別測量各測點到基準點的距離，兩測點相鄰兩次測試數據的差值即為兩點相對移近，以此累加相鄰兩次測試數據的差值即可得兩點相對總移近量，測量精度0.1 mm.

4.3 巷道頂板離層監測

在測站恒阻錨索上安裝頂板離層指示儀(見圖3)，通過遠程監控方式在線監測。

圖3 頂板離層儀布置示意圖

4.4 錨索受力及變形量監測

采用錨索拉力計進行監測，每個測站安裝2個錨索測力計，便于時實跟蹤監測錨索載荷變化情況，分析錨索工作狀態，為調整和修改錨索支護參數提供基礎數據依據。

在每個NPR錨索測站斷面上安裝1套錨索變形量監測儀，便于時實跟蹤監測NPR錨索變形量，分析錨索工作狀態，為調整和修改錨索支護參數提供基礎數據依據。

4.5 門式支架、單體液壓支柱受力及縮量監測

1) 門式支架、單體支柱受力監測。

在與恒阻錨索位置對應的門式支架、單體上安裝壓力表，架后臨時支護每50 m安裝一組，定時記錄單體支柱的壓力變化，并與恒阻錨索的監測結果進行對比，可分析出每個階段哪種支護體在起主導作用。

2) 門式支架、單體支柱縮量監測。

測門式支架、單體支柱壓力的同時，運用鋼尺測量單體支柱的壓縮情況，主要觀察兩次測量之間的差值，測量結果與恒阻錨索的縮進情況進行對比分析。

4.6 工作面液壓支架壓力監測

支架壓力監測主要由礦用本安型壓力傳感器、礦用本安型壓力監測分站、礦用本安型壓力監測主站、礦壓信息傳輸接口、圍巖動態監測分析系統組成。通過壓力傳感器、信息傳輸接口將支架壓力值傳輸至壓力監測分站，壓力監測分站將數據傳輸至壓力檢測主站，圍巖動態監測分析系統對監測主站的數據進行分析。

5 效益分析

根據2015年綜采掘進煤巷測算成本5 508元/m，在5-202工作面利用5-200回風巷，可節約743.58萬元。

店坪礦在5-200工作面使用切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術，可多回采12.36萬t煤柱，獲得2 423.68萬元的效益。

6 存在的問題

1) 《5-200工作面切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術設計方案》缺少對保留巷道通風防滅火設計，及采取的措施。

2) 該礦擬使用尼龍柱帽代替π梁支護頂板，需中國礦業大學陜西創元礦業有限公司對設計變更研討論證。

7 結 論

通過對采煤工作面的切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術設計方案的論證研究，并在店坪礦5-200采煤工作面應用后，經濟效益可觀，可減少2 423.68萬元的投入，噸煤成本明顯降低；該工作面推進一段距離后，現場沿空留巷巷道頂板完整，壓力明顯減小，無底鼓和煤幫變形現象，也無漏風現象，切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術設計方案取得階段性成果，待采煤工作面回采結束后，效果評價成功后，此項技術可大面積推廣應用。

[1] 錢鳴交.20年來采場圍巖控制理論與實踐回顧[J].中國礦業大學，2000,29(1):1-4.

[2] 何現平，宋艷華.沿空留巷巷道支護技術[J].河北煤炭，2010(3):29-31.

Study on Design Scheme of No-pillar Mining for Pressure Relief with Roof Cutting in Dianping Coal Mine

MA Junsheng

This paper introduces the general situation of No.5-200 working face in Dianping Coal Mine. Based on the geological conditions around the reserved roadway, studies the theory of pressure relief with roof cutting originated by the China Mining University (Beijing), after a series of theoretical calculations and demonstration, It is decided to adopt the design scheme of gob side entry retaining, of pressure relief with roof cutting at No-pillar mining condition, and the parameters for the pre-splitting blasting of the roof are also designed, the design scheme has being implemented smoothly in No.5-200 working face in DianPing coalmine with comprehensive qualified results.

Pressure relief with roof cutting; Gob side entry retaining; No pillar mining; Pre-splitting blasting

2016-08-15

馬俊生(1968—)，男，山西祁縣人，1990年畢業于大同煤校，工程師，主要從事煤礦安全監察及應急救援工作

(E-mail)13994237918@163.com

TD823.4+8

B

1672-0652(2016)10-0041-04