黃家溝煤礦切頂卸壓沿空留巷技術研究與應用

呂人杰，張科學，亢 磊，楊海江，王曉玲，朱俊傲

(1.山西華潤聯(lián)盛能源投資有限公司技術部，山西省呂梁市，033000；2.華北科技學院智能化無人開采研究所，北京市石景山區(qū)，101601；3.河北省礦山智能化開采技術重點實驗室，河北省廊坊市，065201；4.中國礦業(yè)大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京市海淀區(qū)，100083)

近年來，切頂卸壓沿空留巷技術發(fā)展迅速，對提高資源利用率、提升經(jīng)濟效益有十分明顯的作用。我國學者在切頂卸壓沿空留巷技術方面進行了大量的研究：劉大江等[1]利用數(shù)值模擬和理論分析方法，實現(xiàn)了良好的擋矸和卸壓效果；楊戰(zhàn)標等[2]采用D型聚能管定向斷裂爆破方法，實現(xiàn)了定向爆破，提高了巷道穩(wěn)定性；孔慶軍等[3]利用礦壓監(jiān)測等方法，構建了底鼓大變形綜合控制技術體系，其成果對控制沿空留巷底鼓大變形具有很強的指導意義；陳立軍[4]利用一次采全高切頂卸壓沿空留巷技術，利用鋼帶+恒阻大變形錨索進行加固，實現(xiàn)了很好的支護效果；王文林等[5]在復雜應力擾動條件下，利用水壓致裂技術，實現(xiàn)了定向預裂，有效控制了留設巷道的變形；范凱[6]針對圍巖控制效果不明顯等問題，通過檢測頂板變形全過程，得到了頂板突變式變形關鍵點；張占勝[7]通過理論計算，得到了爆炸技術參數(shù)，形成了定向切頂爆炸方案，并在實踐中成功運用該技術，促進了煤炭的高效開采；陳上元等[8]通過數(shù)值模擬分析了深部沿空切頂巷道卸壓效果，基于液壓支架壓力監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)了圍巖應力演化規(guī)律，構建了深井沿空切頂巷道圍巖協(xié)同控制體系，有效控制了巷道圍巖變形；袁超峰等[9]針對留巷側傳遞覆巖壓力導致留巷圍巖破壞失穩(wěn)的現(xiàn)象，建立了相應力學模型，驗證了切頂卸壓技術的可行性；王小龍等[10]從瓦斯管理、預裂切縫參數(shù)、采空區(qū)支護等方面分析了沿空留巷的流程，解決了沿空留巷上隅角瓦斯積聚問題；梁華杰等[11]利用高強度錨索配合單體液壓支柱邁步抬棚，并對超前支護巷道頂板預裂爆破，達到了巷道的穩(wěn)定支護；馬新根等[12]總結了切頂卸壓沿空留巷技術的工藝流程及工序關系，將留巷分為動壓承載區(qū)、煤體支撐區(qū)和成巷穩(wěn)定區(qū)，并建立相應的力學簡化模型；朱珍等[13-16]分析了切頂卸壓沿空留巷原理及其關鍵技術，制定了與開采環(huán)境相適應的技術方案，達到了良好的成巷效果；何滿潮等[17-19]研究了不同煤層狀況、不同開采方式和不同地質狀況條件下的切頂卸壓沿空留巷方法，實現(xiàn)了煤礦的安全開采，節(jié)約了大量的煤炭資源。

然而，相關學者多是對切頂卸壓沿空留巷技術的支護設計、頂板精準預裂切縫和巷幫防護等單個方面進行研究。本文通過現(xiàn)場實踐，深入研究了黃家溝煤礦切頂卸壓沿空留巷技術，有效地控制了頂板的下沉，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性，提高了煤炭資源采出率，對同類型地質條件下的切頂卸壓沿空留巷技術的應用提供借鑒。

1 工程概況

山西臨縣華潤聯(lián)盛黃家溝煤礦設計生產能力為120 Mt/a，目前開采8號、9號煤層。21801回采工作面位于黃家溝煤礦21采區(qū)，工作面東部為保安煤柱，西部為實體煤，南部為21采區(qū)回風巷，北部為礦界。工作面標高+820～+890 m，地面標高+1 095～+1 080 m。工作面走向長度為1 300 m，開切眼長180 m，煤層結構簡單，煤層中含1層夾矸，厚度為0.12 m，巖性為泥巖。根據(jù)現(xiàn)場揭露情況，煤層厚度3.4～4.3 m，平均3.6 m，工作面地質與開采條件普遍較好，但是一般都留設20～30 m左右的煤柱。不合理的區(qū)段煤柱不僅造成了資源的浪費，而且造成采空區(qū)應力集中，給后續(xù)煤層巷道布置和圍巖控制增加難度，且常規(guī)開采方式采掘接續(xù)緊張，嚴重制約著礦井的高產高效。因此從生產安全和技術經(jīng)濟的角度對黃家溝21801工作面應用切頂卸壓沿空留巷技術。

2 沿空留巷方案

試驗段確定在21801工作面運輸巷，利用切頂卸壓技術和恒阻大變形錨索等設備，通過頂板的精準預裂，切斷了局部范圍內頂板應力的傳遞，使得工作面內巷道頂板壓力變小，且精準預裂很好地保留了工作面巷道頂板完整性[20]。同時利用恒阻大變形錨索等設備對頂板和巷道進行了補強加固，有效地控制了頂板的下沉，使得預留的巷道圍巖最大限度地發(fā)揮自身承載作用，減少巷道圍巖的變形，保證沿空留巷的效果。21801運輸巷切頂卸壓留巷施工位置和區(qū)段劃分如圖1所示。

圖1 21801運輸巷切頂卸壓沿空留巷施工位置和區(qū)段劃分

3 支護設計

恒阻錨索加固主要包括沿空留巷起始位置的鎖口加固區(qū)和沿空留巷中間段加固區(qū)域。恒阻錨索加固如圖2所示。

(1)沿空留巷起始位置的鎖口加固。通過在起始位置打設密集恒阻錨索，完成對巷道鎖口的加固和補強支護[21]。頂板采用恒阻大變形錨索補強支護，采用規(guī)格為Φ21.8 mm×11 300 mm的1×19-1860型鋼絞線，破斷力≥550 kN。恒阻大變形錨索打設數(shù)量為每排4根，間距和排距均為1 m，沿垂直于頂板的方向布置。采用300 mm×300 mm×16 mm的平托盤，使用W型鋼帶進行連接，W型鋼帶選用2 600 mm×300 mm×3 mm的鋼板制作。錨固劑采用3根Z2360樹脂錨固劑，錨索錨固力450 kN，恒阻值為350±20 kN，預緊力≥280 kN，恒阻錨索鎖口加固支護如圖3所示。

(2)沿空留巷中間段加固。沿空留巷中間段打設2列恒阻錨索進行加固，第1列距離留巷幫700 mm，排距為1 000 mm，第2列距離留巷幫2 200 mm，排距為2 000 mm。恒阻大變形錨索沿垂直頂板方向布置，托盤選用300 mm×300 mm×16 mm的平托盤，中間加工Φ100 mm圓孔。第1列恒阻錨索之間使用W型鋼帶連接(W型鋼帶與巷道平行)，W型鋼帶選用2 600 mm×300 mm×3 mm的鋼板制作。錨固劑采用3根Z2360樹脂錨固劑，暫定錨索錨固力450 kN，暫定恒阻值為350±20 kN，預緊力≥280 kN。恒阻錨索中間段加固支護，如圖4所示。

圖2 恒阻錨索加固示意

圖3 恒阻錨索鎖口加固支護

圖4 恒阻錨索中間段加固支護

4 頂板精準定向預裂切縫設計

為了達到更好的留巷效果，在21801工作面開切眼處切頂，確定在開切眼非采側進行切縫，長度為30 m(距運輸巷0～30 m)，切縫孔垂直于頂板，切縫線距煤壁500 mm，間距1 000 mm，切縫孔直徑Φ45 mm，深度10 m。21801工作面運輸巷切縫孔距工作面幫200 mm，沿巷道頂板平行布置，間距500 mm，切縫孔直徑Φ45 mm，深度10 m，切縫孔角度與鉛垂線夾角選取15°(傾向采空區(qū)側)。21801工作面頂板精準定向預裂切縫設計如圖5所示。

5 巷幫防護設計

利用擋矸金屬網(wǎng)(鋼筋網(wǎng))和伸縮式護幫擋矸架對巷幫擋矸進行防護[22-23]。伸縮式護幫擋矸架型號為RTD29-2000/02，搭接長度不小于1 000 mm，間距為500 mm，每排設1組伸縮式護幫擋矸架。金屬網(wǎng)為鋼筋網(wǎng)和菱形網(wǎng)。在端頭過渡支架移架后，首先緊鄰支架搭接擋矸金屬網(wǎng)，然后再架設伸縮式護幫擋矸架。擋矸金屬網(wǎng)和伸縮式護幫擋矸架均位于切縫下方靠近巷道采空區(qū)一側，與切縫邊緣貼近。其中伸縮式護幫擋矸架在架設前要提前做好柱窩，柱窩要求低于巷道底板100 mm。巷幫防護設計如圖6所示。

圖5 頂板精準定向預裂切縫設計

圖6 巷幫防護設計

6 切頂卸壓沿空留巷礦壓監(jiān)測

6.1 爆破孔窺視情況

采用CXK12礦用鉆孔成像儀對8號和9號煤層21801運輸巷沿空留巷切縫孔爆破情況進行窺視。在項目實施初期和中期進行2次爆破鉆孔窺視。項目實施初期，分兩次分別對超前預裂切縫進行窺視。一是在鉆孔裝藥前、爆破后分別進行窺視；二是在爆破后在兩個爆破鉆孔中間補打窺視鉆孔進行窺視。補打窺視鉆孔與爆破鉆孔參數(shù)相同，必須位于兩爆破鉆孔連線中間。

以560號鉆孔為例，窺視孔深度8 m，此孔為爆破孔。560號鉆孔展開圖見圖7。通過頂板窺視，可以看出頂板經(jīng)過放炮后有明顯的裂紋存在，裂縫基本保持連續(xù)，最大裂縫寬度可達10 mm，絕大部分鉆孔都已出現(xiàn)坍塌。以上情況說明目前選用爆破參數(shù)基本能夠實現(xiàn)切頂效果。

6.2 測站觀測情況

根據(jù)切頂卸壓沿空留巷的留巷距離，架后留巷段共布置9個測站，每個測站由1套單體柱可縮量、1套巷道表面位移測點組成。21801運輸巷測站布置如圖8所示。

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可以看出，21801留巷段頂板下沉很小，最大值達到100 mm，沒有出現(xiàn)底鼓情況，底板淤煤較多，變形量最大的地方主要集中在留巷段水倉位置，由于此段頂板跨度大，水倉頂板未經(jīng)過加固處理。巷道變形在設計允許范圍內，留巷效果良好。

圖7 560號鉆孔展開圖

圖8 21801運輸巷測站布置

7 結論

(1)21801工作面成功沿空留巷1 300 m并成功復用，通過礦壓觀測數(shù)據(jù)分析，所留巷道圍巖控制穩(wěn)定，頂板平均變形量135 mm，兩幫平均變形量350 mm，滿足現(xiàn)場使用標準。

(2)恒阻大變形錨索支護強度滿足沿空留巷中對頂板的控制，有效控制了巷道大變形。頂板精準預裂切斷了局部范圍內頂板應力的傳遞，在巷道上方一定范圍內的頂板形成短臂梁結構，使所留巷道處在卸壓區(qū)域，保證了沿空留巷的效果。

(3)完成了留巷及采煤工作面礦壓觀測，觀測數(shù)據(jù)分析表明，頂板精準定向預裂切縫改變了巷道圍巖應力分布，所留巷道處于低壓力區(qū)域，有效降低回采周期壓力，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

(4)21801工作面切頂卸壓沿空留巷的成功試驗，有效緩解了工作面采掘接續(xù)緊張的問題，多采出煤炭資源12萬t，取得直接經(jīng)濟效益約6 000萬元。