薄煤層“110工法”成巷質(zhì)量影響因素分析

何文帥，黨 輝，梁思哲，李 磊

(1.陜西瑞能煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 延安 727307；2.陜西秦安煤礦安全評價事務(wù)有限公司，陜西 西安 710001)

0 引言

黃陵礦業(yè)瑞能煤業(yè)公司于2017年6月22日開始實施切頂卸壓自動成巷開采技術(shù)，并率先在117綜采工作面進(jìn)行試驗與應(yīng)用。截至2019年5月，累計完成留巷2 100 m，其中117綜采工作面留設(shè)巷道已完成下區(qū)段115綜采工作面回采服務(wù)工作，115綜采工作面留設(shè)巷道已為下區(qū)段113綜采工作面服務(wù)560 m，113綜采工作面目前已留巷180 m。

1 切頂卸壓自動成巷設(shè)計

1.1 工程背景

1.1.1 工作面概況

117綜采工作面開采煤層為2號煤層，工作面埋深65～260 m，自117工作面開切眼至950運(yùn)輸大巷，煤厚由1.0 m逐漸變?yōu)?.0 m，平均1.45 m，工作面最低采高1.6 m，超過1.6 m煤層一次采全高，煤層傾角2°～5°，平均3°，煤塵具有爆炸危險性，屬自燃煤層，順槽長度約1 026 m，工作面回采長度為980 m，工作面長151 m。頂板以細(xì)粒砂巖為主，厚度9.3～11.07 m，灰白色夾薄層泥巖。工作面直接頂板為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚度0.8～2.24 m，穩(wěn)定性相對較差，受采動影響易破碎。底板以泥巖為主，厚度0～2.17 m，局部夾根土巖，厚度0～0.97 m，分布于工作面開口局部段。

1.1.2 支護(hù)情況

117工作面進(jìn)風(fēng)巷巷道斷面為矩形，掘進(jìn)寬度為4.0 m，掘進(jìn)高度為2.5 m，凈斷面積為10 m2。頂板采用“錨網(wǎng)+錨索梁”支護(hù)方式作為永久支護(hù)。錨桿采用規(guī)格為φ20 mm×2 200 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，布置方式采用“5-5”矩形布置，間排距為800 mm×800 mm；錨固方式采用2節(jié)樹脂藥卷端頭錨固，樹脂藥卷分別為MSK2360與MSCK2335型；鋼筋網(wǎng)采用規(guī)格為0.9 m×3.4 m、直徑為6 mm的鋼筋焊接網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)搭接寬度為50 mm。錨索采用φ15.24 mm×8 300 mm高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，布置方式采用“2-2”布置，間排距為1 600 mm×2 400 mm，錨固方式采用三節(jié)MSCK2360樹脂藥卷端錨；錨索梁采用14#槽鋼，長度為3 000 mm。巷道兩幫用“錨網(wǎng)+梯子梁”作為永久支護(hù)，布置方式均為“3-3”矩形布置；巷道兩幫錨桿采用規(guī)格為φ18 mm×1 850 mm玻璃鋼錨桿，鋪設(shè)規(guī)格為2.4 m×5.4 m的塑料編織網(wǎng)；兩幫錨桿間排距均為800 mm×1 000 mm，錨固方式采用兩節(jié)MSCK2335樹脂藥卷端錨，原巷道支護(hù)如圖1所示。

圖1 117工作面進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)斷面

1.2 切頂卸壓自動成巷設(shè)計

1.2.1 恒阻大變形錨索支護(hù)設(shè)計

為保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩(wěn)定性，在對巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂切頂前采用恒阻大變形錨索加強(qiáng)支護(hù)[7-10]。恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，共布設(shè)2列，近實體煤側(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)，鋼絞線長度均取8.3 m，恒阻器長500 mm，外徑79 mm，恒阻值為33±2 t，預(yù)緊力不小于25 t。

文中所用的資料為中國空氣質(zhì)量監(jiān)測平臺公布的2015～2018采暖季西安市空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）以及該時間段大氣主要污染物（PM2.5、SO2、PM10、NO2、O3）月平均質(zhì)量濃度值。每月陰、晴天等天氣狀況由天氣網(wǎng)查詢統(tǒng)計得到。每月大氣主要污染物月平均質(zhì)量濃度值由13個監(jiān)測站取算術(shù)平均值求得，主要參數(shù)有溫度、濕度、主要污染物月平均質(zhì)量濃度值等。

1.2.2 頂板預(yù)裂切縫參數(shù)設(shè)計

參數(shù)計算：切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)頂板預(yù)裂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[11-14]。該爆破技術(shù)是在對比研究多種聚能爆破和定向爆破方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型聚能爆破技術(shù)，施工工藝簡單，應(yīng)用時只需要在預(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。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(hù)，鉆孔周邊巖體所受損傷也大大降低，可以達(dá)到實現(xiàn)預(yù)裂的同時又可以保護(hù)巷道頂板。預(yù)裂切縫深度(H縫)臨界設(shè)計公式為

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(1)

式中，ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為采空區(qū)頂板巖層碎脹系數(shù)，一般為1.3～1.5。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，對于類似117工作面復(fù)合頂板，初步計算時K可取1.34。117工作面最小采高1.6 m，最大采高2.2 m。通過前述數(shù)值模擬分析，對于一定采高的工作面，切頂高度的增加可有效減弱巷道圍巖應(yīng)力集中，對于一定切頂高度的工作面，采高越小，巷道圍巖壓力將相應(yīng)減小。因此，對于117工作面，計算切頂高度時均按最大采高進(jìn)行設(shè)計，即2.2 m。在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，根據(jù)上述切頂高度計算公式，可得出計算切頂高度約6.47 m。

試驗參數(shù)及切縫布置：根據(jù)工作面數(shù)值分析結(jié)果，同時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200 mm，根據(jù)以往工程經(jīng)驗，考慮到切縫施工的經(jīng)濟(jì)性，切縫孔間距初步設(shè)計為500 mm。炮孔試驗參數(shù)及切縫布置如圖2和圖3所示。

圖2 炮孔參數(shù)試驗布置

圖3 117工作面進(jìn)風(fēng)巷頂板切縫設(shè)計

1.2.3 架后巷道支護(hù)設(shè)計

工作面劃分：工作面推進(jìn)過程中，不同位置巷道受采動影響不同。工作面超前段會受到超前壓力的影響，工作面開采后，頂板開采垮落，且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時間，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，頂板運(yùn)動基本會趨于穩(wěn)定，此時可將架后臨時支護(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)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，工程實施前暫先將工作面附近劃分為超前支護(hù)區(qū)(工作面前方20 m)、超后臨時支護(hù)區(qū)(架后0～200 m)和成巷穩(wěn)定區(qū)(架后200 m之后)，不同分區(qū)采取不同的支護(hù)措施，分區(qū)如圖4所示。

圖4 巷道不同位置臨時支護(hù)分區(qū)

超前支護(hù)區(qū)(煤壁前方0～20 m)：此段巷道位于工作面超前采動影響區(qū)，需要超前加強(qiáng)支護(hù)。結(jié)合工作面現(xiàn)有設(shè)備條件，超前支護(hù)仍采用原支護(hù)方式的單體液壓支柱進(jìn)行支護(hù)。

超后臨時支護(hù)區(qū)(架后0～200 m)：此段巷道位于工作面超后影響區(qū)，受動壓影響明顯，巷道頂板壓力較大根據(jù)現(xiàn)場條件，設(shè)計U型鋼+鋼筋網(wǎng)+單體液壓支柱支護(hù)。架后0～200 m巷中采用單體液壓支柱+花邊梁進(jìn)行頂板加強(qiáng)支護(hù)，間排距800 mm×800 mm。巷旁采用U型鋼+鋼筋網(wǎng)+單體液壓支柱支護(hù)的支護(hù)方式，單體支柱與U型鋼間距為500 mm，相鄰U型鋼通過兩根拉桿連接。

成巷穩(wěn)定區(qū)(架后200 m之后)：此段巷道受采動影響很小，頂板下沉量及單體支柱的壓力變化很小，可認(rèn)為該區(qū)域已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，可將臨時支護(hù)單體撤掉，只保留U型梁進(jìn)行擋矸，擋矸支護(hù)采用U型梁，U型梁間距500 mm。成巷區(qū)臨時支護(hù)平面如圖5所示。

圖5 成巷區(qū)臨時支護(hù)平面展開圖

2 影響成巷質(zhì)量的因素

2.1 文明生產(chǎn)

黃陵礦業(yè)瑞能煤業(yè)公司施工恒阻錨索采用普通錨桿機(jī)進(jìn)行施工，預(yù)裂切縫孔施工采用切縫鉆機(jī)進(jìn)行施工。采用“濕式作業(yè)”，隨著留巷工程的推進(jìn)，117綜采工作面留巷作業(yè)段巷道底板積水增加，底板泥巖長期浸泡水中膨脹形成淤泥，造成該巷道現(xiàn)場文明施工差。人員行走不便，為軌道運(yùn)輸增加了安全隱患，影響成巷質(zhì)量，即便工作面推采過后巷道底板仍有積水淤泥。

2.2 支護(hù)質(zhì)量

支護(hù)質(zhì)量是留巷質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)圍巖發(fā)生大變形破壞時，恒阻大變形錨桿可以吸收巖體變形能，使圍巖中的能量得到釋放。恒阻大變形通過結(jié)構(gòu)變形吸收變形能量，吸收能量巷道在回采期間過程中錨桿仍然能夠保持恒定的工作阻力和穩(wěn)定的變形量，從而實現(xiàn)了巷道圍巖的穩(wěn)定，因此恒阻錨索支護(hù)質(zhì)量直接決定留巷成敗。117進(jìn)風(fēng)巷恒阻錨索施工完畢后，按照要求，鋼絞線初始外露長度為150～200 mm，經(jīng)工作面推采過后，隨著采空區(qū)頂板垮落，留巷頂板壓力的增大，恒阻錨索開始出現(xiàn)異常情況，117綜采工作面留巷工程量為980 m，根據(jù)實際統(tǒng)計，恒阻錨索共計施工1 680個，損壞26個，不合格率為1.55%，錨索損壞類型有鎖具夾片個別掉落、錨索恒阻器斷裂、錨索錨固段下沉、鎖具不能有效夾持鋼絞線等。

2.3 預(yù)裂切縫效果

117工作面完成推采后，117進(jìn)風(fēng)巷現(xiàn)場存在兩處成形較差，采空區(qū)側(cè)頂板下沉量增大，巷道呈“梯形”。117進(jìn)風(fēng)巷距離切眼4～10 m段頂板下沉量明顯增大，原巷道高度2 450 mm，推采過后巷道高度1 900 mm，根據(jù)頂板移近量及現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)顯示該段巷道頂板下沉量約170mm，底板鼓起380 mm，巷道寬度無明顯變化，距離切眼10～20 m段頂板下沉量實測為10 mm。117進(jìn)風(fēng)巷從切眼起沿回采方向161～166 m段，頂板下沉量達(dá)到150 mm，底板鼓起290 mm，巷道副幫煤壁片幫，巷道呈明顯梯形狀，頂部原錨索梁變形，原錨索脫落，壓力顯現(xiàn)明顯。

3 產(chǎn)生原因及對策

3.1 產(chǎn)生原因

文明生產(chǎn):117綜采工作面直接底為泥巖，巖層厚度1.77～2.4 m，為灰黑色砂質(zhì)泥巖，底板遇水膨脹，易形成淤泥。施工過程中不能有效將施工廢水收集抽排，導(dǎo)致廢水在巷道積聚，底板受水浸泡時間較長后形成淤泥。

支護(hù)質(zhì)量:根據(jù)錨索工作原理，恒阻錨索二次預(yù)緊時破壞夾片內(nèi)側(cè)螺紋，導(dǎo)致其咬合能力下降，當(dāng)頂板來壓錨索受力增大時鋼絞線與夾片之間產(chǎn)生相對滑移。鋼絞線強(qiáng)度與夾片強(qiáng)度不匹配，鋼絞線強(qiáng)度偏高或夾片強(qiáng)度偏低導(dǎo)致夾片內(nèi)側(cè)螺紋無法嵌入鋼絞線表面。夾片熱處理不過關(guān)，導(dǎo)致其硬度明顯低于設(shè)計要求。恒阻錨索施工過程中，錨索與樹脂藥卷攪拌、凝固時間較短，鋼絞線不能有效錨固，工作面推采過后，錨固端失效，錨索下沉失效。

預(yù)裂爆破:117回風(fēng)巷道切縫線施工過程中，距離切眼4～10 m段6個預(yù)裂切縫孔被堵塞，無法裝藥，未進(jìn)行爆破；工作面回采前預(yù)先對10～20 m段切縫孔進(jìn)行了窺視，根據(jù)窺視及計算結(jié)果可知，切縫線10～20 m段裂縫率達(dá)98%，切縫孔平均深度6.1 m(裂縫率=形成切縫線深度/切縫孔深度)；然而切眼外4～10 m段裂縫率為0。在工作面推采至117回風(fēng)巷從切眼起沿回采方向161～166 m段前，對該段切縫孔進(jìn)行了窺視，共計窺視切縫孔10個，其中7個切縫孔孔內(nèi)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象、坍塌高度不等，另外3個切縫孔裂縫率只有70%，切縫質(zhì)量較差。

3.2 提高成巷質(zhì)量的對策

文明生產(chǎn)管理:“110工法”施工前，必須在巷道內(nèi)施工排水渠，加強(qiáng)水泵檢修。施工過程中，加強(qiáng)施工期間廢水收集，及時抽排廢水，經(jīng)常清理排水渠，確保排水工作正常進(jìn)行。

支護(hù)質(zhì)量管理：加強(qiáng)現(xiàn)場施工監(jiān)督管理，建立施工日志，并由技術(shù)人員對現(xiàn)場施工進(jìn)行全過程跟蹤。加強(qiáng)支護(hù)質(zhì)量驗收，及時進(jìn)行錨索拉拔力試驗。恒阻錨索施工一次性預(yù)緊至設(shè)計值，避免二次預(yù)緊。據(jù)統(tǒng)計，黃陵礦業(yè)瑞能煤業(yè)公司115綜采工作面實施“110工法”中，恒阻錨索共計施工1550根恒阻錨索，損壞僅有3根，損壞率0.2%，損壞率大大降低。

預(yù)裂爆破管理：加強(qiáng)預(yù)裂切縫爆破管理，嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行施工爆破，嚴(yán)禁出現(xiàn)不爆破現(xiàn)象；爆破前必須確保封泥長度達(dá)到1.5 m，并用專用工具將炮泥搗實。

其他方面：加強(qiáng)爆破施工專業(yè)隊伍建設(shè)。黃陵礦業(yè)瑞能煤業(yè)公司“110工法”交由綜采隊施工后，該隊成立專門的預(yù)裂爆破小組進(jìn)行施工，后續(xù)爆破質(zhì)量得到有效提升，留巷質(zhì)量大大提高。

4 結(jié)語

在實施薄煤層切頂卸壓開采技術(shù)過程中，應(yīng)加強(qiáng)施工隊伍建設(shè)，成立專業(yè)預(yù)裂爆破小組，專門負(fù)責(zé)實施頂板預(yù)裂爆破施工，并定期進(jìn)行培訓(xùn)。此外，應(yīng)加強(qiáng)施工過程中設(shè)備用水管理，加強(qiáng)廢水收集管理，進(jìn)一步完善巷道內(nèi)排水系統(tǒng)，及時清理排水渠，保證巷道濕度。支護(hù)質(zhì)量管理方面，應(yīng)當(dāng)對恒阻大變形錨索施工進(jìn)行過程監(jiān)督，及時驗收支護(hù)質(zhì)量。爆破管理方面應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計進(jìn)行爆破，嚴(yán)禁出現(xiàn)瞎炮、不爆破現(xiàn)象。