切頂卸壓沿空留巷在燕家河煤業(yè)10103綜采工作面的應(yīng)用實(shí)踐

郭 偉(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)燕家河煤業(yè)有限公司,山西 鄉(xiāng)寧042100)

1 前言

隨采深增加,護(hù)巷煤柱寬度不斷加大、圍巖控制難度顯著增加,從而導(dǎo)致煤炭資源回收率呈逐漸下降趨勢[1-2]。切頂卸壓留巷技術(shù)通過深孔爆破切頂巷道與采空區(qū)頂板連續(xù),從而降低采空區(qū)頂板彎曲下沉過程中巷道圍巖變形,在煤礦井下應(yīng)用逐漸廣泛[3-5]。燕家河煤業(yè)在生產(chǎn)過程中面臨采掘接替緊張以及護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度過大、煤炭資源回收率不高問題,將切頂卸壓留巷技術(shù)應(yīng)用到礦井巷道留設(shè)中,現(xiàn)場應(yīng)用取得顯著效果。

2 工程概況

燕家河煤業(yè)開采的10 號煤層,厚2.48 m,為Ⅱ級自燃煤層,煤塵具有爆炸性,頂?shù)装鍘r性如圖1所示。目前井下布置一個10103 綜采工作面及兩個掘進(jìn)工作面。

圖1 10#煤頂?shù)装鍘r性

10103 綜采工作面走向長度為1 160 m,開切眼長180 m,工作面南側(cè)為10101 采空區(qū),北側(cè)為實(shí)體煤,西側(cè)為采區(qū)運(yùn)輸巷,東側(cè)為采區(qū)邊界。為了提高煤炭回收率以及工作面開采效率,在10103 軌道巷采用切頂卸壓留巷技術(shù),將巷道保留下來為鄰近的工作面生產(chǎn)服務(wù)。10103 軌道巷為矩形斷面(寬4.6 m、高2.6 m),采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式。

3 切頂卸壓留巷技術(shù)

3.1 整體技術(shù)方案

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)整體方案為巷道超前支護(hù)、深孔預(yù)裂爆破切頂卸壓、擋矸支護(hù)、巷幫漏風(fēng)封堵等過程,具體工作步驟為[6]:

(1)恒阻錨索+普通錨索聯(lián)合支護(hù)加固。

(2)切頂鉆孔施工以及爆破卸壓。

(3)工作面回采期間采空區(qū)幫部采用鋪設(shè)菱形網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)、單體柱和可縮性U 型鋼支架形成支設(shè)密集支柱,實(shí)現(xiàn)擋矸支護(hù)。

(4)回采結(jié)束且沿空側(cè)巷道穩(wěn)定后,撤除巷幫擋矸立柱及巷內(nèi)單體柱,并對巷幫局部垮落片幫區(qū)域進(jìn)行維修處理。

(5)根據(jù)現(xiàn)場情況,局部采用化學(xué)噴涂材料密閉漏風(fēng)區(qū)域,滿足正常的通風(fēng)安全使用。

(6)根據(jù)留巷中的氣體檢測結(jié)果,決定是否采用柔性噴涂材料進(jìn)行噴涂封閉,以保證工作面回采期間的生產(chǎn)安全。

留巷段巷幫漏風(fēng)采用化學(xué)噴涂或者布置風(fēng)筒布等常規(guī)方式即可實(shí)現(xiàn),非切頂卸壓沿空留巷重點(diǎn)內(nèi)容。文中重點(diǎn)對切頂卸壓留巷過程中涉及到的恒阻錨索超前支護(hù)、深孔卸壓爆破以及擋矸支護(hù)等方面進(jìn)行論述。

3.2 現(xiàn)場施工

1)恒阻錨索施工(頂板超前支護(hù)補(bǔ)強(qiáng))

根據(jù)10#煤層頂板巖層賦存情況,10 號煤層直接頂板為石灰?guī)r,厚度7.7 m,底板為泥巖。煤層上覆9.9 m 有硬度大、賦存穩(wěn)定的細(xì)粒砂巖(厚度7 m),為此將恒阻錨索錨固端布置在此層中。具體恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計如圖2所示。錨索選用φ21.8 mm×10.3 m 高強(qiáng)恒阻大變形錨索,第一列恒阻錨索距留巷幫700 mm,排距1 000 mm;第二列距巷幫2 200 mm(即與第一排錨索間距1 500 mm),排距2 000 mm,垂直頂板布置,選用300 mm ×300 mm ×16 mm 的平托盤,預(yù)緊力不低于280 kN。

圖2 恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖

靠近巷幫的第一列恒阻錨索用W 鋼帶(使用2 600 mm×300 mm ×5 mm 鋼板制作),間距1 000 mm 加工規(guī)格200 mm ×100 mm 長孔。恒阻錨索采用長500 mm、外徑88 mm 恒阻器,恒阻值31 ～35 t,預(yù)緊力在28 t 以上。

2)頂板切頂卸壓

切頂鉆孔、爆破工作分別超前工作面50 m、30 m進(jìn)行,其中切頂鉆孔與巷幫間距200 mm,按照外插15°、深度8 m 布置,并采用專用鉆車施工,鉆孔施工完成后必須經(jīng)過驗(yàn)收,合格后才能裝藥爆破。依據(jù)巷道頂板巖性,4 個裝藥孔+1 個空孔為一組的裝藥方式,具體布置方式如圖3所示。

圖3 爆破孔布置方式

爆破鉆孔采用串聯(lián)起爆方式,一次爆破4 個鉆孔。起爆后通過窺視孔觀測孔內(nèi)切縫情況。鉆孔采用炮泥封孔,孔內(nèi)裝入3 根長度2 m 聚能管。

3)架后臨時支護(hù)及成巷支護(hù)

根據(jù)以往10 號煤層開采經(jīng)驗(yàn),預(yù)測10103 工作面回采后超前支承壓力影響范圍約20 m,工作面后方采空區(qū)覆巖穩(wěn)定范圍約200 m。因此,將10103 軌道巷支護(hù)劃分三個區(qū)間,依次分別為超前支護(hù)區(qū)、架后維護(hù)區(qū)以及成巷穩(wěn)定區(qū),范圍分別為工作面前方20 m、工作面后方0 ～200 m、工作面后方200 m 以后。具體不同區(qū)支護(hù)設(shè)計分別為:

(1)超前支護(hù)。該區(qū)域位于工作面煤壁前方0～20 m,按照綜采工作面的超前支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù),即為采用單體+π 型梁組成的支護(hù)方式。

(2)架后維護(hù)區(qū)擋矸支護(hù)。該區(qū)域位工作面架后0 ～200 m,采用DW3.15 型單體柱+ DFB3200-300π 型梁“一梁四柱”對頂板進(jìn)行支護(hù),DW3.15 型單體柱+29U/2000-01 可縮性U 型鋼支架進(jìn)行擋矸支護(hù)。

頂板采用單體+π 型梁構(gòu)成“一梁四柱”方式控制,間、排距均為1 000 mm。在切頂幫(采空區(qū)側(cè))采用單體與U 型鋼按照500 mm 間距交替布置(即單體與U 型鋼間距為250 mm),在U 型鋼靠近采空區(qū)側(cè)布置菱形網(wǎng)、鋼筋網(wǎng),從而防止采空區(qū)冒落矸石進(jìn)入巷道,具體如圖4所示。

圖4 架后擋矸支護(hù)示意圖

(3)成巷穩(wěn)定區(qū)。該區(qū)域位于架后200 m 之后,根據(jù)實(shí)時礦壓變化,逐步對巷道單體柱和π 型粱進(jìn)行回撤,由“一梁四柱”變“一梁三柱”逐步減少,直至回撤完成。

4 留巷效果分析

對留巷段進(jìn)行礦壓監(jiān)測分析,發(fā)現(xiàn):

(1)10103 軌道巷采用恒阻錨索、單體以及π 型鋼對頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),工作面超前支承壓力影響對頂板影響不明顯;在工作面后方留巷段內(nèi)受到采空區(qū)頂板垮落影響,頂板變形呈現(xiàn)“開始—加快—達(dá)峰值—變緩—穩(wěn)定”趨勢,監(jiān)測頂板下沉量平均為50 mm,基本沒有底鼓現(xiàn)象,變化時間一般在7 天之內(nèi)。

(2)留巷段頂板下沉量從采空區(qū)側(cè)向煤柱側(cè)依次減少,其中煤柱側(cè)、采空區(qū)側(cè)頂板下沉量最大分別為40 mm、90 mm。

(3)留巷段頂?shù)装逡平颗c埋藏深度、頂?shù)装鍘r性、支護(hù)強(qiáng)度、切頂效果有關(guān)。從礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果來看,10103 軌道巷圍巖變形整體較小,取得較好的留巷效果。具體留巷完成后現(xiàn)場情況如圖5所示。

圖5 留巷現(xiàn)場圖

5 結(jié)論

將切頂卸壓留巷技術(shù)應(yīng)用到10103 綜采工作面中,確保了留巷工作的高效開展,具體取得如下主要成果:

(1)采用恒阻高強(qiáng)大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)是確保巷道頂板巖層穩(wěn)定的重要方法,同時根據(jù)巷道頂板巖層情況合理布置切頂卸壓鉆孔是降低留巷段礦壓顯現(xiàn)的關(guān)鍵;采用單體、U 型鋼以及金屬網(wǎng)進(jìn)行擋矸支護(hù),可有效避免采空區(qū)冒落矸石進(jìn)入到留巷段內(nèi)。

(2)根據(jù)10103 綜采工作面基本情況對切頂卸壓留巷中的恒阻錨索支護(hù)、切頂卸壓爆破以及擋矸支護(hù)等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。現(xiàn)場應(yīng)用后,巷道頂板、巷幫平均位移量分別為50 mm、60 mm,底板無底鼓顯現(xiàn),取得顯著應(yīng)用效果。