切頂卸壓技術(shù)在旭升煤礦的試驗(yàn)與應(yīng)用

吳兆軍

（陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司，陜西 渭南 714000）

近年來，沿空留巷技術(shù)在煤礦開采過程中被廣泛應(yīng)用[1]，與有煤柱工作面布置相比，這種工作面布置方式直接減少回采巷道施工工程量，實(shí)現(xiàn)無煤柱開采[2]，同時(shí)大大緩解了煤礦采掘接替緊張的局面[3]。目前，切頂卸壓技術(shù)是在沿空留巷中應(yīng)用比較成熟的一項(xiàng)技術(shù)[4]，不少學(xué)者通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬、工程應(yīng)用等手段進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了良好的效果[5]，尤其是對爆破參數(shù)的制定、留巷段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等方面，積累了大量研究成果及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)[6]。陜西澄合百良旭升煤礦結(jié)合該礦505 綜采工作面實(shí)際地質(zhì)采礦條件，選取工作面停采線以里120 m 巷道進(jìn)行沿空留巷切頂卸壓技術(shù)試驗(yàn)，采用了聚能管定向爆破技術(shù)，總結(jié)了試驗(yàn)段巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，試驗(yàn)后留巷斷面達(dá)到了預(yù)期效果。

1 沿空留巷切頂卸壓技術(shù)方案及試驗(yàn)

1.1 工作面地質(zhì)概況

505 綜采工作面順槽設(shè)計(jì)長度712 m，切巷設(shè)計(jì)長度152 m。主采5#煤層，平均厚度3.5 m，煤層直接頂為中細(xì)粒砂巖，平均厚度2.9 m；中細(xì)粒砂巖上部為4#煤層，厚度1～2.2 m，平均厚度1.4 m；老頂細(xì)粒砂巖位于4#煤層上部，厚度3～9 m，平均厚度7 m。煤層直接底為砂質(zhì)泥巖與泥巖互層，厚度0.6～2.8 m，平均厚度1.8 m；老底為細(xì)粒砂巖，厚度13.5～20.5 m，平均厚度16 m。

1.2 試驗(yàn)段補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

505 綜采工作面位于百良旭升煤礦礦井二采區(qū)東翼，西臨采區(qū)大巷，東臨礦界保護(hù)煤柱，南北均為未開拓區(qū)域。試驗(yàn)地點(diǎn)為505 工作面軌道巷，巷道斷面規(guī)格：凈寬×凈高=4 m×3.5 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)形式，巷道頂板打設(shè)6 根錨桿，幫部打設(shè)5 根錨桿，錨桿采用φ22 mm×2 400 mm 左旋無縱筋錨桿。另外頂板打設(shè)φ18.9 mm×8 300 mm 錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索呈三花布置。試驗(yàn)段采取二次錨桿（索）補(bǔ)強(qiáng)加固方案，即采用錨桿對煤柱側(cè)幫、錨索對煤墻幫頂板補(bǔ)強(qiáng)加固。錨桿采用φ22 mm×2 400 mm 左旋無縱筋錨桿，間排距1 400 mm×1400mm，錨桿打設(shè)在原幫部每兩排錨桿之間呈五花布置，共補(bǔ)打錨桿145 根。錨索采用φ21.8 mm×8 300 mm 1860 鋼絞線，距幫部0.6 m 處施工一排，間距0.8 m，共補(bǔ)打錨索127根。巷道補(bǔ)強(qiáng)加固斷面如圖1 所示。

圖1 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面

1.3 試驗(yàn)巷道切頂卸壓方案

（1）頂板預(yù)裂爆破孔設(shè)計(jì)

采取深孔雙向聚能爆破技術(shù)對頂板進(jìn)行切頂卸壓，在試驗(yàn)段巷道超前工作面50 m 施工爆破孔。結(jié)合505 綜采工作面頂板巖層賦存狀況，爆破孔設(shè)計(jì)孔深6.5～7.2 m，直徑50 mm，布置在距回采幫250 mm 處，孔間距800 mm，沿頂板傾向工作面采空區(qū)20°打設(shè)，該段巷道共計(jì)施工爆破孔150 個(gè)。

（2）爆破參數(shù)

炸藥選用煤礦用乳化炸藥，炸藥規(guī)格：φ32 mm×200 mm； 每個(gè)爆破孔安裝9 節(jié)炸藥，裝藥長度1.8 m。雷管選用煤礦用毫秒延期電雷管，每個(gè)爆破孔使用兩發(fā)電雷管。雷管連線方式為孔外串聯(lián)及孔內(nèi)并聯(lián)；每5 個(gè)爆破孔為一組，一次起爆一組爆破孔。聚能管采用φ40 mm×4 000 mm 聚乙烯PVC 管，為實(shí)現(xiàn)定向爆破效果，每根聚能管需對稱切割出8 mm 寬度的對縫。

（3）分段試驗(yàn)方案

為確定科學(xué)合理的爆破參數(shù)，將505 綜采工作面軌道巷120 m 巷道分3 段進(jìn)行試驗(yàn)，針對爆破孔深、裝藥方式制定不同爆破參數(shù)，從而確定最優(yōu)的爆破方案，分段參數(shù)如表1 所示。

表1 留巷段分段爆破參數(shù)

1.4 留巷段支護(hù)方案

（1）留巷段采用液壓單體柱配合π 型鋼打設(shè)抬棚進(jìn)行超前加固，π 型鋼長2.4 m，抬棚棚距0.8 m，排距0.6 m。

（2）切頂側(cè)幫部采用密集液壓單體柱配合工字鋼進(jìn)行支護(hù)，采用雙層網(wǎng)（里層雙抗網(wǎng)、外層鋼筋網(wǎng)）護(hù)幫。工作面推過切頂段60 m 后，使用工字鋼替換切頂側(cè)幫部液壓單體柱，不再進(jìn)行回收。

1.5 礦壓監(jiān)測方案

（1）巷道表面位移觀測：采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行巷道表面位移觀測，每間隔6 m 設(shè)置一組測站，每天量取頂?shù)装?、兩幫相對移近量?/p>

（2）頂板離層觀測：安裝KJ216 頂板離層儀對頂板離層量進(jìn)行觀測，每間隔12 m 安設(shè)一組。

（3）錨桿（索）受力觀測: 使用錨桿（索）測力計(jì)對錨索、錨桿受力狀態(tài)進(jìn)行觀測，每間隔12 m安設(shè)一組。

2 切頂卸壓沿空留巷效果

2.1 頂?shù)装逑鄬σ平?/h3>

沿空留巷圍巖應(yīng)力隨工作面推進(jìn)不斷變化，留巷段頂?shù)装遄冃畏智捌诨顒?dòng)期、活動(dòng)過渡期及后期活動(dòng)期三個(gè)階段，選取1 號測點(diǎn)變形量曲線圖為代表，如圖2 所示。

圖2 1 號測點(diǎn)變形量曲線

（1）頂板活動(dòng)前期：該階段試驗(yàn)段巷道受采場超前支承壓力影響。工作面距測點(diǎn)大于45 m 時(shí)，巷道頂?shù)装鍟r(shí)，巷道頂?shù)装鍩o明顯變形，相對移近量較??；工作面距測點(diǎn)45～30 m 時(shí)，超前支承應(yīng)力影響開始顯現(xiàn)，但頂板下沉量、測點(diǎn)底鼓量整體變化不大；工作面距測點(diǎn)30～15 m 時(shí)，變形量增大；工作面距測點(diǎn)小于15 m 時(shí)，頂板下沉量、下沉速率及底鼓量、底鼓速率顯著增大，如表2、表3 所示。

表2 頂板下沉量觀測數(shù)據(jù)分析

表3 底鼓量觀測數(shù)據(jù)分析

（2）頂板活動(dòng)過渡期：該階段留巷段受工作面傾向支撐壓力影響。當(dāng)工作面推過測點(diǎn)期間，測點(diǎn)后方頂板失去支架支撐，采空區(qū)直接頂出現(xiàn)垮落。因垮落后的巖石無法充填滿采空區(qū)，造成老頂及其上覆巖層通過層間聯(lián)系直接作用在留巷段，巷道處于應(yīng)力集中區(qū)域，頂?shù)装宄霈F(xiàn)劇烈變形[3]。

（3）頂板活動(dòng)后期：該階段留巷段受后方采空區(qū)支承壓力影響。當(dāng)工作面推過測點(diǎn)10 m 后，隨著老頂及關(guān)鍵層的垮落、彎曲變形，冒落的矸石形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)[4]，留巷段圍巖應(yīng)力環(huán)境改善，頂?shù)装迨芎蠓讲煽諈^(qū)支承壓力影響逐漸變小。當(dāng)工作面推過測點(diǎn)30 m 后，頂?shù)装遐呌诜€(wěn)定，基本無變化。

2.2 兩幫移近量

通過對留巷段兩幫移近量分析，總體變形情況與頂?shù)装鍘r層變形類似。當(dāng)工作面距測點(diǎn)大于45 m 時(shí)，巷道兩幫無明顯變形；隨工作面不斷推進(jìn)，兩幫變形量逐漸增大；當(dāng)工作面推至測點(diǎn)時(shí)，礦壓顯現(xiàn)明顯，支架向巷道內(nèi)內(nèi)移明顯，兩幫急劇變形，巷道寬度較回采前寬度減小130 mm，最大變形量為420 mm。當(dāng)工作面推過測點(diǎn)50 m 后，兩幫變形趨于穩(wěn)定，如表4 所示。

表4 兩幫移近量觀測數(shù)據(jù)分析

2.3 頂板離層量

通過對留巷段KJ216 頂板離層儀數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測分析，頂板淺部、深部離層量與巷道頂板下沉量基本一致，變化規(guī)律隨工作面的不斷推進(jìn)而變化，如圖3 所示。

2.4 錨桿（索）受力狀態(tài)

（1）錨桿受力狀態(tài)分析

隨工作面的不斷推進(jìn)，1 號測點(diǎn)處巷道幫部錨桿的受力持續(xù)增加，當(dāng)增大至28 MPa（151.6 kN）時(shí)，受切頂卸壓的影響，圍巖應(yīng)力重新分布，錨桿受力開始下降且逐漸趨于穩(wěn)定，如圖4 所示。

（2）錨索受力狀態(tài)分析

與錨桿受力狀態(tài)相似，隨工作面的不斷推進(jìn)，錨索受力不斷增加；頂板切頂卸壓前，錨索受力達(dá)到峰值26 MPa（146.2 kN）；切頂卸壓后，頂板巖層切斷與老空區(qū)上方巖層的層間聯(lián)系，錨索受力突降為0，后受殘余支承應(yīng)力影響，錨索受力慢慢增加變?yōu)? MPa 且趨于穩(wěn)定，如圖5 所示。

圖5 1 號測點(diǎn)錨索受力曲線

3 存在問題及建議

1）工作面回采過程中，受排尾架位置影響，支架后竄矸現(xiàn)象嚴(yán)重，擋矸效果較差；同時(shí)切頂幫側(cè)液壓單體柱僅能靠支架頂梁打設(shè)，隨工作面的回采，留巷段寬度2.3～2.7 m，遠(yuǎn)低于預(yù)期留巷寬度。另外，受工作面坡度較大影響，切頂幫受頂板壓力及側(cè)向老空區(qū)矸石垮落影響，單體柱中間幫部多發(fā)生明顯內(nèi)鼓。針對該問題，及時(shí)拉移排尾架，并垛煤袋閉幫，同時(shí)在切頂側(cè)頂梁打設(shè)單體柱的基礎(chǔ)上，使用橫托梁對頂梁進(jìn)一步加固，另外，對幫部單體柱采取小徑木配合雙層網(wǎng)閉幫，進(jìn)一步減少幫部內(nèi)鼓現(xiàn)象。

2）按照切頂卸壓支護(hù)設(shè)計(jì)要求，工作面推過留巷段后，使用工字鋼替換原液壓單體柱。由于巷道受壓變形嚴(yán)重，巷高不一，需現(xiàn)場量取后加工不同長度的工字鋼，且現(xiàn)場替換困難，通過后期觀測，替換后的工字鋼均發(fā)生不同程度的彎曲變形。針對該問題，一方面是采用打設(shè)雙抬棚提高支護(hù)強(qiáng)度，另一方面在巷道出現(xiàn)劇烈變形前提前更換工字鋼立柱。

3）通過進(jìn)行礦壓觀測工作發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面距留巷段15 m 時(shí)，巷道頂板出現(xiàn)明顯裂縫，裂縫長約12 m，寬約30 mm，需加強(qiáng)支護(hù)。針對該問題，一是需提高留巷段補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，尤其是需加密頂板錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度； 二是需進(jìn)一步提高超前抬棚加固強(qiáng)度。

4 結(jié)語

百良旭升煤礦在505 綜采工作面軌道巷進(jìn)行了沿空留巷切頂卸壓技術(shù)試驗(yàn)，留巷段采用深孔雙向聚能爆破技術(shù)，順利實(shí)現(xiàn)回采側(cè)頂板的自動(dòng)切落。通過對礦壓觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析得出：切頂后，巷道表面位移、頂板離層量及錨桿（索）受力逐漸減小并趨于穩(wěn)定，有效地消除了留巷區(qū)域的應(yīng)力集中。此次沿空留巷成巷工程量120 m，切頂后留巷斷面：凈寬×凈高=2.5 m×2.4 m，基本達(dá)到預(yù)期效果。