切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)在黃陵礦的應(yīng)用

王懷平

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

傳統(tǒng)長(zhǎng)壁開(kāi)采“121”工法通常需要在工作面兩端提前掘進(jìn)兩條回采巷道，并留設(shè)護(hù)巷煤柱，造成了巷道掘進(jìn)工程量大、掘進(jìn)成本高[1-5]，留設(shè)的護(hù)巷煤柱也對(duì)煤炭資源造成了巨大的損失，同時(shí)在煤柱上方往往產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，使巷道變形嚴(yán)重，維護(hù)成本高。而傳統(tǒng)的澆筑混凝土墻隔絕采空區(qū)、支護(hù)頂板的沿空留巷技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜、施工繁瑣，影響工作面推進(jìn)度。切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)(簡(jiǎn)稱“110”工法)是在工作面推過(guò)前，提前對(duì)計(jì)劃留巷巷道采用恒阻大變形錨索加固支護(hù)[6-9]；在工作面?zhèn)仁┕ゎA(yù)裂爆破孔，進(jìn)行頂板預(yù)裂爆破切縫，切斷巷道頂板與工作面采空區(qū)頂板之間的應(yīng)力傳遞。工作面推過(guò)后，由于對(duì)頂板實(shí)施了切縫，增加了采空區(qū)側(cè)頂板自由面，支架前移時(shí)采空區(qū)側(cè)頂板迅速沿切縫面垮落碎脹充填采空區(qū)，從而有效支撐上覆巖層頂板，同時(shí)，為避免采空區(qū)矸石竄入巷道，工作面推過(guò)時(shí)在端頭支架側(cè)面、切縫下方垂直支設(shè)一列擋矸支護(hù)結(jié)構(gòu)[10-11]。確保留巷的有效利用空間，所成巷道即可作為下一個(gè)工作面的巷道使用。切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)，可取消工作面間煤柱，提高煤炭回收率，且降低巷道掘進(jìn)率50%。

1 工作面概況

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)在瑞能煤礦117工作面實(shí)施，117工作面開(kāi)采煤層為2#煤層，通過(guò)地質(zhì)資料分析，煤層賦存穩(wěn)定，煤層埋深120～260 m，煤厚0.8～2.0 m，平均1.49 m，煤層傾角2°～5°，平均3°，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，屬自燃煤層，順槽長(zhǎng)度約1 026 m，工作面回采長(zhǎng)度為980 m，工作面長(zhǎng)151 m。工作面相對(duì)瓦斯涌出量為1.86 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為3.06 m3/min，屬低瓦斯礦井。

工作面基本頂以塊狀灰白色中-細(xì)粒巖屑石英砂巖為主，巖性較堅(jiān)硬，厚層狀，不易垮落。厚度3～12 m。單軸抗壓強(qiáng)度14.2～68.1 MPa，平均37.7 MPa，天然抗拉強(qiáng)度1.47～6.10 MPa，平均2.82 MPa，屬中等穩(wěn)定-穩(wěn)定的不易冒落頂板。

直接頂巖性變化較大，以黑色泥巖為主，局部為粉砂巖或細(xì)粒砂巖，呈厚層狀，有時(shí)與煤層直接接觸，厚度0.7～20.6 m不等，一般9 m左右，天然容重2.52～2.62 g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度10.5～32.6 MPa，天然抗拉強(qiáng)度1.0～2.76 MPa，為不穩(wěn)定、易冒落頂板。

偽頂主要為薄層狀泥質(zhì)粉砂巖或砂質(zhì)泥巖，個(gè)別鉆孔為炭質(zhì)泥巖，厚度均在0.5 m以下，以其薄層狀及隨采隨落為特征。

底板主要為一套灰色團(tuán)塊狀粉砂質(zhì)泥巖，遇水膨脹，易發(fā)生底臌，厚度1～2 m，天然容重2.38～2.72 g/cm3單軸抗壓強(qiáng)度9.6～62.9 MPa，天然抗拉強(qiáng)度0.98～4.42 MPa，為松軟易變形的不穩(wěn)定底板。

2 主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

切頂卸壓自動(dòng)成巷的主要工藝包括切頂和支護(hù)，切頂工藝主要包括打切縫孔和定向爆破，而決定切縫孔的角度和深度主要影響因素為采高、頂板巖性、碎脹系數(shù)等因素；定向爆破主要采用雙向爆破管來(lái)控制方向。支護(hù)又包括永久支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，永久支護(hù)為恒阻錨索支護(hù)，而臨時(shí)支護(hù)為巷旁支護(hù)和巷內(nèi)支護(hù)。表1為117工作面切頂卸壓自動(dòng)成巷設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 117工作面切頂卸壓自動(dòng)成巷設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 頂板雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)

切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)將巷道頂板與采空區(qū)頂板預(yù)裂切縫，切斷二者之間的應(yīng)力傳遞。應(yīng)用時(shí)只需要在預(yù)裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向?qū)?yīng)于巖體預(yù)裂方向。爆轟產(chǎn)物將在兩個(gè)設(shè)定方向上形成聚能流，并產(chǎn)生集中張拉應(yīng)力，使預(yù)裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預(yù)裂面。

根據(jù)工作面數(shù)值的分析結(jié)果，同時(shí)考慮到施工的便捷性，取切頂高度為6.0 m，切縫線與鉛垂線夾角10°，切縫孔距離117工作面煤壁為200 mm，同時(shí)，考慮到切縫施工的經(jīng)濟(jì)性，切縫孔間距初步設(shè)計(jì)為500 mm。

根據(jù)切頂卸壓自動(dòng)成巷工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于復(fù)合頂板，初始裝藥結(jié)構(gòu)以“3+3+3”為宜，即每個(gè)爆破孔內(nèi)放置3根1.5 m長(zhǎng)聚能管，由孔頂向孔底裝藥量分別為3卷、3卷、3卷，共9卷炸藥，封泥長(zhǎng)度1.5 m。雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，管長(zhǎng)1 500 mm。聚能爆破采用二級(jí)煤礦乳化炸藥，炸藥規(guī)格為直徑φ32 mm×200 mm/卷。

2.2 恒阻大變形錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

為保證切頂過(guò)程和周期來(lái)壓期間巷道的穩(wěn)定性，在對(duì)巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂切頂前采用恒阻大變形錨索加強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)工作面原有支護(hù)方式、巷道變形情況及礦壓現(xiàn)象，恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，共布設(shè)2列，近實(shí)體煤側(cè)排距2 400 mm，距巷中線400 mm；沿空側(cè)排距800 mm，沿空側(cè)恒阻錨索距巷幫500 mm。恒阻大變形錨索直徑取為21.8 mm，根據(jù)切縫參數(shù)，鋼絞線長(zhǎng)度均取8.3 m，恒阻器長(zhǎng)500 mm，外徑79 mm，恒阻值為33±2 t，預(yù)緊力不小于25 t。

2.3 架后巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

工作面推進(jìn)過(guò)程中，不同位置巷道受采動(dòng)影響不同。工作面超前段會(huì)受到超前壓力的影響，工作面開(kāi)采后，頂板開(kāi)始垮落，且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，因此距工作面較近的架后區(qū)域不僅需要進(jìn)行頂板支護(hù)，還需進(jìn)行擋矸支護(hù)。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)巷道距工作面較遠(yuǎn)時(shí)，頂板運(yùn)動(dòng)基本會(huì)趨于穩(wěn)定，此時(shí)可將架后臨時(shí)支護(hù)的設(shè)備撤掉，只進(jìn)行擋矸支護(hù)即可。

根據(jù)以往現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將工作面附近劃分為3個(gè)區(qū)：超前支護(hù)區(qū)(工作面前方20 m)，留巷加強(qiáng)支護(hù)區(qū)(架后0～200 m)和留巷穩(wěn)定區(qū)(架后200 m之后)。支護(hù)方式如圖1所示。

圖1 成巷區(qū)頂板臨時(shí)支護(hù)及擋矸支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3 工程實(shí)踐及應(yīng)用成果分析

3.1 工程實(shí)施情況

該項(xiàng)目通過(guò)對(duì)瑞能煤礦117工作面薄煤層110工法切頂卸壓自動(dòng)成巷關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定了適合于瑞能煤礦薄煤層切頂卸壓自動(dòng)成巷最優(yōu)設(shè)計(jì)及施工參數(shù)，針對(duì)117工作面設(shè)計(jì)了薄煤層切頂卸壓自動(dòng)成巷圍巖控制體系。117工作面自2017年6月22日開(kāi)始回采，通過(guò)切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)對(duì)117軌道巷進(jìn)行沿空自動(dòng)成巷，至2018年1月15日工作面已回采結(jié)束。目前，瑞能煤業(yè)留巷長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)2 000 m，且117留巷作為復(fù)用巷道，已經(jīng)成功服務(wù)于115工作面的回采工作，留巷巷道滿足生產(chǎn)需求。

3.2 留巷段礦壓監(jiān)測(cè)

恒組錨索受力分析：恒組錨索為切頂留巷主要的支護(hù)手段，因此測(cè)定恒組錨索在留巷段受力變化，能夠分析恒組錨索強(qiáng)度及支護(hù)參數(shù)是否都滿足需求。圖2為150 m位置恒組錨索受力監(jiān)測(cè)結(jié)果，可看出，當(dāng)工作面推采至距離錨索約25 m時(shí)，其受力與變形開(kāi)始緩慢增大，當(dāng)工作面推過(guò)時(shí)，錨索受力與變形迅速增大，當(dāng)工作面推過(guò)錨索斷面所在位置約25 m時(shí)其受力達(dá)到恒阻值，約340 kN，此時(shí)錨索變形量約50 mm，但隨著工作面向前推進(jìn)，錨索受力一直處于恒阻值狀態(tài)，而其變形量仍在以較高速度繼續(xù)增大，當(dāng)工作面推過(guò)約50 m后其變形速度顯著減小，當(dāng)工作面推過(guò)約150 m后趨于穩(wěn)定。恒阻錨索在變形的過(guò)程中，其受力可保持不變，始終維持相對(duì)恒定的工作阻力，體現(xiàn)了其吸能讓壓的特性，通過(guò)恒阻讓壓變形來(lái)吸收頂板巖層釋放的變形能，而不致使錨索發(fā)生斷裂破壞，恒阻錨索支護(hù)滿足安全生產(chǎn)需求。

圖2 150 m處型錨索測(cè)力儀監(jiān)測(cè)曲線

留巷過(guò)程頂板下沉規(guī)律：通過(guò)對(duì)巷道從留巷到穩(wěn)定過(guò)程中巷道變形監(jiān)測(cè)，分析巷道頂板下沉量圖3所示，得知工作面留巷頂板整體下沉量小，切縫側(cè)巷道頂板最大下沉量約383 mm，平均下沉量約216 mm，實(shí)體煤幫側(cè)最大下沉120 mm，平均下沉73 mm，碎石巷幫無(wú)明顯側(cè)臌現(xiàn)象，實(shí)體煤幫無(wú)明顯片幫現(xiàn)象，完全滿足安全和使用要求，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 巷道頂板下沉變形曲線

3.3 存在問(wèn)題及對(duì)策

110工法實(shí)施過(guò)程中存在的主要問(wèn)題為采空區(qū)漏風(fēng)問(wèn)題，實(shí)測(cè)工作面下隅角至12#支架之前漏風(fēng)十分嚴(yán)重，漏風(fēng)率最高達(dá)42%，而工作面中部支架漏風(fēng)明顯較小，說(shuō)明在工作面下部端頭支架與煤壁之間存在較大空隙，即下隅角處密閉性較差，而工作面支架間密閉性較好。同時(shí)，說(shuō)明成巷區(qū)碎石幫的空隙為工作面漏風(fēng)提供了大量漏風(fēng)通道，致使工作面大量風(fēng)流經(jīng)由工作面支架后方流向采空區(qū)，并最終由工作面后方成巷區(qū)流出。為了確保安全生產(chǎn)，必須采取以下措施降低留巷漏風(fēng)。

降低漏風(fēng)通道兩端風(fēng)壓：降低留巷內(nèi)和工作面回風(fēng)口處的風(fēng)流壓差，通過(guò)在工作面回風(fēng)巷中設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗，增高回風(fēng)巷和工作面回風(fēng)口處氣體壓力，達(dá)到降低留巷內(nèi)和工作面之間的風(fēng)流壓差，減少采空區(qū)漏風(fēng)量。

隔漏風(fēng)墻技術(shù)措施：在留巷內(nèi)碎石幫側(cè)進(jìn)行噴漿、注漿或砌防漏風(fēng)墻。切頂后形成的巷幫由碎石組成，及時(shí)對(duì)留巷內(nèi)碎石幫噴漿處理，噴漿厚度一般不小于100 mm。對(duì)于上部切縫處和未完全充實(shí)區(qū)域?qū)嵤┳{封堵，對(duì)于工作面后方漏風(fēng)較為嚴(yán)重的區(qū)域，因巷幫未完全充填，不能及時(shí)噴漿，可通過(guò)臨時(shí)懸掛風(fēng)障方式封堵通道，待充實(shí)后及時(shí)噴漿。

3.4 應(yīng)用成果分析

117工作面留巷頂板整體變形較小，切縫側(cè)巷道頂板最大下沉量約383 mm，平均下沉量約216 mm，實(shí)體煤幫側(cè)最大下沉120 mm，平均下沉量約73 mm，碎石巷幫無(wú)明顯側(cè)臌現(xiàn)象，實(shí)體煤幫無(wú)明顯片幫現(xiàn)象，完全滿足安全和使用要求，工作面及成巷區(qū)內(nèi)CH4濃度均為零，CO濃度處于3～7 ppm之間，低于《煤礦安全規(guī)程》限定的24 ppm，采空區(qū)無(wú)自然發(fā)火危險(xiǎn)。切縫后，采空區(qū)頂板沿切縫垮落順利，采空區(qū)垮落矸石充填密實(shí)，空區(qū)老頂觸矸點(diǎn)距離支架后方距離一般為2～3 m。

117工作面實(shí)施“110”工法后，留巷人工、材料費(fèi)用約為2 200元/m，設(shè)備及科研投入281萬(wàn)元。可節(jié)約巷道掘進(jìn)費(fèi)用6 200元/m，多回收煤業(yè)4.2萬(wàn)t，取得綜合經(jīng)濟(jì)效益1 000多萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

切頂卸壓沿空自動(dòng)成巷技術(shù)，解放了工作面間的護(hù)巷煤柱，提高了采煤工作面資源回收率，減輕了地表不均勻沉陷引起的地表環(huán)境損害等災(zāi)害問(wèn)題。變傳統(tǒng)“一面兩巷”采掘方式為“一面一巷”，利用切落巖體作為巷道一幫，降低了工作面回采巷道的掘進(jìn)率，無(wú)需留設(shè)護(hù)巷煤柱或充填高強(qiáng)材料支護(hù)巷道，造價(jià)低廉，操作簡(jiǎn)單，提高生產(chǎn)效率。因此，全面推廣實(shí)行切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，對(duì)我國(guó)煤礦安全高效生產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。