綜放工作面礦壓顯現(xiàn)研究及切頂卸壓技術(shù)應用

張 鑫

(山西西山晉興能源有限責任公司，山西 呂梁 033602)

近年來，隨著采掘機電設備不斷更新、開采工藝水平不斷提高以及國家能源重心向西北部的轉(zhuǎn)移、去除落后產(chǎn)能的不斷深入，厚及特厚煤層成為了今后開采的主要煤層。而綜采放頂煤作為厚及特厚煤層的主要開采方法，比傳統(tǒng)采煤方法具有優(yōu)勢，但其造成的采空區(qū)側(cè)煤柱地應力高、資源采出率低、巷道維護成本高、礦井采掘銜接緊張等問題卻日趨嚴重。切頂卸壓技術(shù)可有效解決上述問題，但是現(xiàn)有的采空區(qū)主要采用全部垮落法，其圍巖應力集中明顯的問題仍未改善，對相鄰工作面的掘進和回采都帶來了影響。

目前，切頂卸壓技術(shù)在薄煤層、中厚煤層取得了成功的應用，尤其在沿空成巷無煤柱開采技術(shù)中具有較好的技術(shù)優(yōu)勢，能產(chǎn)生較高的經(jīng)濟效益，但在綜采放頂煤工作面的應用卻很少[1-4]. 本文通過對斜溝煤礦23107工作面兩巷切頂卸壓技術(shù)的具體工程應用，研究礦壓的變化情況，形成了特厚煤層切頂卸壓安全開采技術(shù)。

1 工作面概況

斜溝煤礦23107工作面位于21采區(qū)北翼，西部為正在掘進的23105工作面，東部為實煤區(qū)，上部為18105工作面采空區(qū)。可采走向長度為3 400.5 m，傾向長度為247.8 m，煤層平均厚度為14.35 m，傾角8.8°左右，煤層普氏系數(shù)大于2，屬較硬煤層。煤層埋藏深度為192～330 m，與8#煤層層間距約為53 m. 23107工作面采用綜合機械化低位放頂煤開采方法回采，頂板運移空間大，礦壓顯現(xiàn)強烈，現(xiàn)場根據(jù)同采區(qū)工作面頂板管理經(jīng)驗控制工作面和兩巷的頂板，缺乏系統(tǒng)科學的依據(jù)，造成頂板管理困難，支護材料消耗量大，煤柱留設多，丟煤現(xiàn)象嚴重。合理有效的應用切頂卸壓技術(shù)管理頂板，成為特厚煤層高效、安全生產(chǎn)必須攻克的關鍵技術(shù)難題。

2 工作面及兩巷礦壓分析

2.1 工作面礦壓分析

煤層在回采過程中會導致應力重新分布，依次形成減壓區(qū)、增壓區(qū)、穩(wěn)壓區(qū)。由于23107工作面采高較大，在煤壁前方形成的峰值應力較大。與此同時，上覆8#煤層采空區(qū)形成的應力平衡區(qū)也會受到采動影響，發(fā)生應力重新分布，使得23107工作面在回采過程中受疊加應力的作用，礦壓顯現(xiàn)強烈，見圖1.

圖1 工作面應力分布圖

頂煤的存在對基本頂運動效應產(chǎn)生一定的弱化，使得綜采放頂煤工作面控頂對象變?yōu)轫斆汉椭苯禹敚鶕?jù)直接頂厚度計算公式(1)[5]，可得出直接頂厚度為31.1 m，即直接頂?shù)捻敳课挥?1#煤上方的泥巖中。

(1)

式中：

H—直接頂厚度，m；

h—煤層采高，m，取3.6；

T—頂煤厚度，m，取10.75；

η—頂煤的放出率，取0.8；

KA—頂煤垮落后的碎脹系數(shù)，取1.3.

由于頂煤從開始垮落到放完是一個動態(tài)變化的過程，直接頂?shù)暮穸仍诖诉^程中也是動態(tài)變化的。隨著直接頂不斷地斷裂、回轉(zhuǎn)失穩(wěn)、垮落，給工作面液壓支架支護帶來很大的沖擊，嚴重的還會發(fā)生壓死架甚至冒頂。而13#煤與8#煤之間的巖層以泥巖、砂巖為主，強度較低，不存在整體穩(wěn)定性好、自承載能力強的關鍵層。因此，在直接頂垮落壓實過程中仍會給其上覆的巖層留下較大的運移空間，甚至會導通上覆8#煤層已采工作面采空區(qū)，對工作面支架及煤壁產(chǎn)生強烈的動載礦壓。

2.2 兩巷礦壓分析

23107工作面材料巷沿煤層底板掘進，上覆約10 m的頂煤，再往上依次為5.36 m的泥巖，4.49 m的中細粒砂巖；23107工作面皮帶巷沿煤層頂板掘進，上覆5.36 m的泥巖，4.49 m的中細粒砂巖。

隨著工作面不斷回采，作用在兩巷圍巖上的應力會重新分布，形成側(cè)向支承應力，在巷道及煤柱上方形成應力峰值區(qū)，應力峰值可達原巖垂直應力的2～3倍，造成本工作面巷道礦壓顯現(xiàn)強烈。 其影響范圍為15～30 m，而工作面保護煤柱設計為20 m，嚴重影響相鄰工作面的掘進及回采。考慮到頂板支護安全及減少煤炭資源浪費，采用深孔切頂卸壓爆破技術(shù)對兩巷進行定向聚能爆破釋放頂板壓力，改善圍巖應力環(huán)境，減小巷道周圍塑性破壞區(qū)的范圍。

3 工作面及兩巷頂板控制

3.1 工作面頂板控制

針對綜采放頂煤工作面特殊的頂板控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合以往綜采放頂煤工作面生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，采用減小循環(huán)進度、增加循環(huán)次數(shù)、加快推進速度的采煤工藝，并在放頂煤過程中，除靠近材料巷的3臺液壓支架不放煤，其余支架采用多輪均勻放頂煤的放煤工藝。通過對采煤工藝和放煤工藝的優(yōu)化合理控制工作面頂板。

3.2 兩巷頂板控制

為避免對相鄰工作面掘進及回采的影響，采用深孔爆破切頂卸壓的方法直接在兩巷煤柱幫側(cè)切斷頂板，使其在自身重力和上覆巖層壓力的共同作用下沿預裂縫滑落至巷道底板[6-7]. 切頂卸壓采用礦用三級乳化炸藥、聚能PVC管、水炮泥等材料進行爆破。爆破前先在兩巷煤柱幫側(cè)頂板各打設一排間距為1 000 mm的切頂炮孔，材料巷炮孔打設深度為19 m，皮帶巷炮孔打設深度為9 m，然后將炸藥通過聚能PVC管送入孔底，依次加入黃土、水炮泥、黃土封堵炮眼，最后利用雷管一次起爆預裂頂板，形成一條切縫，配合頂板壓力完成對兩巷及煤柱上覆巖體的切頂卸壓，將應力定向轉(zhuǎn)移至圍巖深處。23107兩巷炮眼施工見圖2，圖3.

圖2 23107材料巷炮眼施工斷面圖及A向圖

圖3 23107皮帶巷炮眼施工斷面圖及B向圖

4 效果分析

23107工作面現(xiàn)場液壓支架壓力監(jiān)測曲線圖見圖4.由圖4可以看到，切頂卸壓前工作面液壓支架的工作阻力達到37.3 MPa，皮帶巷端頭支架的工作阻力達到25.8 MPa，材料巷端頭支架的工作阻力達到25 MPa；在對頂板切頂卸壓后一周工作面液壓支架的工作阻力減至27.95 MPa，皮帶巷端頭支架的工作阻力減至13 MPa，材料巷端頭支架的工作阻力減至11.4 MPa. 可見切頂卸壓效果較顯著，可滿足該工作面回采及相鄰工作面掘進的需要。

圖4 壓力現(xiàn)場監(jiān)測曲線圖

5 結(jié) 論

1) 通過對23107工作面及兩巷頂板礦壓進行分析，得出礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律，并采取兩刀一放、兩輪放煤等優(yōu)化工藝及切頂卸壓的技術(shù)，改善了頂板應力環(huán)境，減少了對相鄰工作面掘進和回采的影響。

2) 根據(jù)壓力現(xiàn)場監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，可以看到切頂卸壓之后工作面支架的工作阻力得到了明顯的減小，兩巷頂板卸壓效果明顯。