寺河煤礦二號井切頂卸壓沿空留巷技術應用研究

霍振龍

(山西晉煤集團寺河煤礦,山西 晉城 048000)

煤炭在今后相當長時間內仍是我國能源的消費主體,煤炭資源需求量居高不下,但煤炭作為不可再生能源日益枯竭。為保障礦山企業的綠色安全高效開采,沿空留巷技術得到了較好的推廣和發展,該技術具有提高資源回收率、降低巷道掘進工程量、緩解采掘接替緊張、實現工作面Y型通風等優點[1-2]。近年來,許多礦井采用高水充填、混凝土柔膜充填方式實現沿空留巷,但未根本解決巷道圍巖應力分布狀態。巷旁充填體往往存在應力集中,容易引發動力災害,且留巷速度較慢,成本略高,一定程度上制約了沿空留巷的發展[3-4]。

相比而言,切頂卸壓沿空留巷技術具有技術工藝簡單,性價比高等優勢。通過切頂卸壓改變沿空巷道的圍巖應力環境,采空區上覆巖層受切縫爆破影響垮落成巷幫,實現真正意義上的無煤柱開采[5]。近年來,該技術應用范圍幾乎遍及全省各大礦區,同時帶來了明顯的社會和經濟效益[6-8]。本文以寺河煤礦二號井為工程背景,對切頂卸壓沿空留巷關鍵技術參數進行研究。

1 工程概況

1.1 工作面概況

97307回采工作面位于寺河煤礦二號井97盤區,東為97308工作面，南為礦界，西為97306工作面，北為九七盤區大巷;上部為小煤窯3#煤采空區;下部為15#煤。地面標高為730～830 m,蓋山厚度為180～290 m。

97307工作面走向長1 350 m,傾向長180 m,面積243 000 m2;煤層總厚度為0.98～1.87 m,平均厚度為1.5 m,煤層賦存穩定,全部可采。煤層走向SE 160°,傾向SW 250°,傾角2～8°、平均為3°;97214巷作為切頂卸壓沿空留巷留設巷道,留巷成功后作為相鄰97308工作面運輸巷使用。工作面平面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置圖Fig.1 Working face layout

1.2 頂底板巖層分布

直接頂為粉砂巖,厚3.90 m,下部局部相變為0.1～0.5 m左右的石灰巖;老頂為細砂巖,厚5.30 m;直接底為石灰巖,厚1.0 m;老底為細砂巖,厚2.8 m。97307工作面綜合柱狀如圖2所示。

圖2 97307工作面巖層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive strata histogram

1.3 巷道原支護形式

97214運輸巷為矩形斷面,尺寸為4 400 mm×2 400 mm,巷道沿底掘進,原支護形式采用“錨桿+金屬網+鋼筋梁+錨索”聯合支護方式。主要支護方式如下所示。

1)頂板支護。頂板采用每排4根左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿,直徑為20 mm,長度2 000 mm；頂板錨桿間、排距1 200 mm；沿巷道中線布置1根5 300 mm錨索,直徑15.24 mm,間距2 400 mm。

2)幫部支護。兩幫分別布置兩根左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿,兩幫上錨桿距頂板400 mm、下錨桿距底板800 mm,直徑為20 mm,長度2 000 mm,幫錨桿間距1 200 mm,排距2 400 mm。巷道原支護形式如下圖3所示。

圖3 巷道原支護形式Fig.3 Original support of roadway

2 切頂卸壓沿空留巷技術原理及工藝流程

2.1 切頂卸壓技術原理

切頂卸壓沿空留巷在工作面回采前,采用恒阻大變形錨索對留巷頂板超前加固支護,沿巷道采空區側頂板進行預裂切縫,切斷采場頂板與巷道頂板巖層之間的應力傳遞路徑,在巷道頂板形成短臂梁結構,巷道周圍巖層集中應力轉移至深部,極大地改善了巷道圍巖應力環境。工作面回采過后,切頂范圍內的巖層受頂板來壓影響,斷裂下沉,沿切縫面自行垮落成巷幫隔離采空區。通過巷內恒阻大變形錨索支護、巷道頂板預裂切縫爆破、動壓影響區臨時加強支護、巷旁擋矸支護等技術手段實現原回采巷道的維護,供下一工作面正常使用。寺河煤礦二號井切頂卸壓沿空留巷關鍵設計參數見表1所示。

表1 切頂卸壓關鍵設計參數表Table 1 Key design parameters of roof-cutting and pressure-releasing

2.2 施工工藝流程

根據切頂卸壓技術原理,具體施工步驟有:

1)按支護設計參數施工恒阻大變形錨索補強加固巷道頂板。

2)在工作面回采前,補強加固頂板的前提下,沿工作面推進方向,超前工作面一定距離后,施工切縫孔,并進行預裂切縫爆破,形成卸壓預裂切縫面。

3)待工作面推后,及時進行巷旁擋矸支護,并采用單體支柱及Π型梁對巷道進行補強支護。

4)切縫范圍內頂板在自重及來壓作用下,沿切縫面斷裂形成留巷巷幫。

5)結合礦壓數據觀測及現場宏觀觀測,待留巷穩定后,逐步回撤巷內臨時支護,保留擋矸支護。

2.3 切頂留巷關鍵參數

留巷過程中巷道受多方面動壓影響,普通錨索在延伸率、支護阻力、防沖性能等方面無法滿足留巷需求,為了保證使用期間內巷道的穩定性,在預裂切縫爆破前,采用恒阻大變形錨索配合W鋼帶對頂板進行加固。

恒阻大變形錨索加固支護，是在原有支護設計基礎上,結合留巷頂板圍巖分布特征,恒阻錨索應超出切縫孔且錨固在穩定巖層中不低于1 m,考慮到切縫參數設計兩排恒阻大變形錨索進行頂板加固,錨索直徑為21.8 mm,長度9 300 mm,外露長度300 mm,恒阻值343 kN,恒阻器直徑68 mm;第一列恒阻大變形錨索距采空區側700 mm,排距1 000 mm;第二列恒阻大變形錨索距第一列間距1 500 mm,排距2 000 mm。恒阻大變形錨索均垂直巷道頂板布置,第一列恒阻大變形錨索用W鋼帶連接。支護設計參數如圖4所示。

圖4 補強支護斷面圖Fig.4 Section of reinforcement support

2.4 頂板預裂切縫技術參數確定

合理的切頂高度對改善留巷頂板圍巖應力狀態有一定影響,在切頂高度在一定范圍內,增加切頂高度可以改善巷道圍巖應力分布狀態。當切頂高度達到一定高度后,繼續增加切頂高度將不利于巷道圍巖應力分布,巷道圍巖控制難度加大。為了使切縫后垮落的巖石碎脹接頂,對采空頂板起到支撐作用,并形成巷幫。根據該礦97307工作面綜合柱狀圖,距工作面幫200 mm布置切縫炮孔。切頂高度滿足以下公式:

hQ=(hC-Δh1-Δh2)(λ-1) .

(1)

式中:hQ為切頂高度,m;hC為采高,m;Δh1為頂板下沉量,m;Δh2為底鼓量,m。

根據頂板巖性,λ取1.2,在不考慮頂板下沉及底鼓的情況下,取工作面采高1.5 m,設計hQ為7.5 m。根據工作面綜合柱狀圖,煤層頂板依次為3.9 m的粉砂巖(巷道挑頂0.9 m,巷道實際頂板3.0 m)、5.3 m的細粒砂巖及0.5 m的8#煤層。臨界切頂高度不大于8.3 m，預裂切縫高度大于7.5 m為宜,綜合考慮取切頂高度為8 m。

聚能爆破切縫通過在切縫孔內布置裝有乳化炸藥的聚能管,沿聚能管的定向對稱聚能槽形成薄弱面,聚能管連線爆破后,爆破能量沿定向聚能槽釋放,在特定的聚能槽方向形成集中拉應力,最終實現沿工作面走向的預裂切縫面。通過以往工程實踐經驗,爆破孔與水平方向夾角為80°。寺河煤礦二號井97214巷切頂高度8 m,每個孔內裝有3根聚能藥管,為了防止爆破后吹孔及爆破漏斗現象影響爆破效果,預裂爆破封泥長度設為2 m。D型聚能管理論裝藥線密度0.5 kg/m,為了確定合理的裝藥量及孔間距,采用以下幾組爆破方案進行現場試驗。

表2 爆破方案Table 2 Blasting plan

經過現場實驗,方案4為最佳爆破方案,最佳爆破窺視效果圖及最佳爆破孔間距如圖5所示。

(a)最佳爆破效果窺視圖

(b)四孔裝藥爆破間隔一孔 注：藍色孔裝藥爆破，白色孔不爆破，用來窺視爆破成縫效果圖5 最佳爆破孔間距及窺視效果Fig.5 The best blasting hole spacing and peeping effect

2.5 擋矸設計方案

工作面回采過后,采空區頂板破段垮落,垮落的矸石可能會涌入巷道,影響留巷效果。為了滿足所留巷道的正常使用,需對采空區邊緣進行必要的擋矸支護。

工作面后方沿空留巷巷幫擋矸防護采用“擋矸金屬網+可伸縮U型鋼+鋼梁背幫”進行擋矸防護,為防止移架后頂板直接垮落涌入巷道,移架后及時將擋矸金屬網和可伸縮U型鋼與過渡支架平行安裝,具體工藝設計如下:29U可縮性U型鋼支架,搭接長度不小于1 000 mm,間距500 mm,每排1組可伸縮U型鋼;對留巷幫與可縮性U型鋼支架接觸不充分部位,采用鋼板背幫;U型鋼之間要連鎖,而且要升緊。端頭過渡支架移架后,緊貼支架先搭接擋矸金屬網,再架設擋矸U型鋼,安裝時應保證擋矸金屬網和擋矸U型鋼都位于緊貼切縫邊緣靠巷道采空區一側,與液壓支架平行布置。單根U型鋼下扎不小于100 mm,巷幫擋矸防護設計如圖6所示。

圖6 擋矸支護側視圖Fig.6 Side view of gangue retaining support

3 應用效果分析

寺河煤礦二號井97307工作面應用切頂卸壓沿空留巷技術將本工作面97214軌道巷作為相鄰97308工作面的軌道巷使用。為了研究現場應用效果,在97214軌道巷內采用巷道表面位移、錨索受力監測等監測手段,其中97214巷每50 m布置一組礦壓監測站。

由圖7可知,工作面回采過后,0～60 m范圍內巷道圍巖受采動影響,變形量增加較快;60～150 m范圍內,采空區垮落矸石逐漸壓實,巷道變形量增速較緩;滯后工作面150 m后,圍巖變形趨于穩定。最終,留巷穩定后,巷道頂板下沉量約97 mm,底鼓量約151 mm,采空區幫變形量約125 mm,實體煤幫變形量約88 mm,頂、底板收縮率10.4%,兩幫收縮率4.7%,達到設計要求,監測結果表明留巷效果較佳。

圖7 巷道表面位移監測曲線Fig.7 Monitoring curves of roadway surface displacement

恒阻大變形錨索受力變化能很好地反映巷道在留巷過程中的受力變化情況,因此對采空區側恒阻大變形錨索受力狀態進行監測,恒阻錨索受力變化曲線如圖8所示。

圖8 恒阻錨索受力曲線Fig.8 Force curve of constant resistance anchor cable

工作面開采超前動壓影響范圍大約為25 m,在距工作面25 m范圍內,受超前采動影響,恒阻大變形錨索受力增加明顯；工作面回采過后,懸露頂板開始垮落斷裂,錨索受力急劇增加到355 kN,在一定范圍內錨索受力保持恒阻狀態；隨著采空區矸石的逐漸垮落壓實,錨索受力逐漸減小,最終在滯后工作面145 m后,錨索受力應力值趨于穩定,說明采空區頂板充分垮落壓實,巷道頂板在現有支護狀態下重新處于穩定。

現場采用切頂卸壓沿空留巷技術成功留巷1 350 m,通過礦壓監測數據分析以及現場實際考察(圖9),留巷效果良好,完全滿足下一個工作面的正常使用。

圖9 現場留巷效果Fig.9 The effect of on-site gob-side entry retaining

4 結論

1)以寺河煤礦二號井切頂卸壓沿空留巷為工程應用實例,介紹了切頂卸壓沿空留巷技術原理,闡述了現場施工工藝流程。該技術通過“切頂卸壓+恒阻錨索支護”為主的留巷工藝,保留了原回采巷道,實現了無煤柱開采。

2)在現有礦井地質條件下,采用理論計算、現場實驗等方法確定了切縫角度與水平面成80°、切頂高度8 m、恒阻錨索長度9.3 m。在現有支護基礎上再布置兩列恒阻大變形錨索，第一列恒阻大變形錨索距采空區側700 mm,排距1 000 mm;第二列恒阻大變形錨索距第一列間距1 500 mm,排距2 000 mm；單孔裝藥量3.0 kg,四孔隔一孔間隔裝藥,孔間距500 mm等關鍵參數。

3)通過對礦壓監測數據分析以及現場考察,采用現有的設計參數留巷,巷道頂板下沉量約97 mm,底鼓量約151 mm,采空區幫變形量約125 mm,實體煤幫變形量約88 mm,留巷穩定后巷道斷面尺寸變化較小,達到下個工作面的復用要求。

4)寺河煤礦二號井采用切頂卸壓技術后,取得了較好的經濟效益:2019年6月至2020年3月,成功留巷1 350 m,累計新增利潤2 700萬元;提高了生產效率及采掘比,緩解礦井采掘接替緊張,實現礦井降本增效,為類似地質條件下開展切頂卸壓沿空留巷提供了理論及實踐基礎,具有很大的推廣價值。