8105工作面切頂卸壓沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

摘 要：【目的】為節(jié)約煤炭資源，緩解礦井采掘接替緊張，需對(duì)采掘技術(shù)進(jìn)行研究。【方法】以8105厚煤層綜采工作面為背景，實(shí)施無(wú)煤柱切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，制定“切、補(bǔ)、護(hù)、支”、沿空留巷成套圍巖控制方案。【結(jié)果】現(xiàn)場(chǎng)留巷段實(shí)測(cè)結(jié)果表明，頂板切頂后配合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，留巷段頂?shù)装逦灰屏繛?50 mm，兩幫位移量為794 mm，留巷斷面尺寸滿足使用要求。【結(jié)論】切頂卸壓沿空留巷圍巖控制技術(shù)在8105工作面的成功應(yīng)用，為礦井后續(xù)工作面實(shí)施無(wú)煤柱銜接布置提供了技術(shù)指導(dǎo)，為其他相似地質(zhì)條件下推廣切頂卸壓沿空留巷技術(shù)提供了一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：頂板；沿空留巷；切頂卸壓；圍巖控制

中圖分類號(hào)：TD353" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）13-0052-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.010

Study on Surrounding Rock Control Technology of Gob-Side Entry

Retaining by Root Cutting and Pressure Reliet in 8105 Working Face

JI Zhongwei

（Henan Mingde Mining Technology Development Co.， Ltd.， Jiaozuo 454000， China）

Abstract： [Purposes] In order to save coal resources and alleviate mining and excavation succession tension in mines，it is necessary to study mining technology.[Methods] Taking the fully mechanized mining face of 8105 thick coal seam as the background， the technology of gob-side entry retaining without coal pillar roof cutting and pressure relief is implemented. According to the geological conditions on site， a complete set of surrounding rock control scheme of ' cutting， filling， protecting， supporting ' and gob-side entry retaining is formulated. [Findings] The measured results of the on-site entry retaining section show that the displacement of the roof and floor of the entry retaining section is 750 mm， and the displacement of the two sides is 794 mm， and the size of the entry retaining section meets the requirements.[Conclusions] The successful application of surrounding rock control technology of roof cutting and pressure relief gob-side entry retaining in 8105 working face provides technical guidance for the implementation of non-coal pillar connection layout in subsequent working faces of the mine， and provides some reference for the promotion of roof cutting and pressure relief gob-side entry retaining technology under other similar geological conditions.

Keywords： top plate； gob-side entry retaining； roof cutting and pressure relief； surrounding rock control

0 引言

某礦8105工作面回采8#煤，煤厚2.09～4.90 m，平均煤厚3.95 m。工作面傾斜長(zhǎng)235 m，走向長(zhǎng)1 825 m，地面標(biāo)高+1178～+1297 m，井下標(biāo)高+756～+777 m，平均埋深470 m，煤層賦存穩(wěn)定。8105工作面巷道沿煤層頂板布置，回采時(shí)實(shí)施無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)，將5105巷保留下來(lái)作為8104工作面區(qū)段順槽使用，減少巷道掘進(jìn)量［1-2］。工作面布置示意如圖1所示，工作面綜合情況如圖2所示。

1 頂板預(yù)裂切頂技術(shù)原理

當(dāng)巷道上方賦存厚硬頂板時(shí)，工作面回采期間采空區(qū)上覆頂板易出現(xiàn)難以垮落的大范圍懸頂，引起工作面來(lái)壓，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。爆破切頂卸壓技術(shù)即在留巷工作面回采前，在回采側(cè)巷道頂板施工爆破卸壓鉆孔，爆破后形成切縫，切斷采空區(qū)上覆垮落頂板對(duì)留巷頂板間的應(yīng)力傳遞，使得沿空巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，保障沿空留巷成功實(shí)施［3-4］。自然垮落時(shí)留巷頂板圍巖斷裂結(jié)構(gòu)如圖3所示，頂板定向預(yù)裂后留巷圍巖結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2 不同切頂高度下巷道圍巖變形分析

基于切頂卸壓技術(shù)原理［5-7］，采用數(shù)值模擬分析軟件對(duì)0 m、10 m、18 m、26 m等4種切頂高度下巷道垂直應(yīng)力及位移分布情況進(jìn)行分析，如圖5至圖7所示。

①切頂0 m時(shí)，頂板最大垂直應(yīng)力為3.84 MPa，切頂高度未達(dá)到10 m（亞關(guān)鍵層高度）時(shí)，頂板最大垂直應(yīng)力隨著切頂高度的增加迅速減小，切頂高度對(duì)頂板最大垂直應(yīng)力有較大影響；切頂高度達(dá)到10 m（亞關(guān)鍵層高度）時(shí)，頂板最大垂直應(yīng)力為3.41 MPa，相較于切頂0 m時(shí)下降了12%。當(dāng)切頂高度達(dá)到18 m（關(guān)鍵層高度）時(shí)，頂板最大垂直應(yīng)力為3.05 MPa，相較于切頂0 m時(shí)下降了21%；切頂高度達(dá)到26 m時(shí)，頂板最大垂直應(yīng)力為3.04 MPa，相較于切頂高度18 m時(shí)僅下降了1%。再增加切頂高度，對(duì)頂板最大垂直應(yīng)力的影響逐漸減弱。整體來(lái)說(shuō)切頂高度越高，頂板最大垂直應(yīng)力越小，當(dāng)切頂高度達(dá)到關(guān)鍵層后，切頂高度對(duì)頂板最大垂直應(yīng)力的影響逐漸減小。

②切頂0 m時(shí)，頂板最大垂直位移為151.81 mm，切頂高度未達(dá)到10 m（亞關(guān)鍵層高度）時(shí)，頂板最大垂直位移隨著切頂高度的增加逐漸減小，切頂高度對(duì)頂板最大垂直位移的影響較小；切頂高度達(dá)到10 m（亞關(guān)鍵層高度）時(shí)，頂板最大垂直位移為144.58 mm，相較于切頂0 m時(shí)下降了5%；切頂高度達(dá)到18 m（關(guān)鍵層高度）時(shí)，頂板最大垂直位移為129.11 mm，相較于切頂0 m時(shí)下降了15%；切頂高度達(dá)到26 m時(shí)，頂板最大垂直位移為149.26 mm，相較于切頂0 m時(shí)僅下降了2%；整體來(lái)說(shuō)切頂高度達(dá)到關(guān)鍵層高度時(shí)，切頂高度對(duì)頂板最大垂直位移的影響逐漸減小。

③切頂0 m時(shí)，底板最大垂直位移為413 mm，切頂高度未達(dá)到10 m（亞關(guān)鍵層高度）時(shí)，底板最大垂直位移隨著切頂高度的增加迅速減小，切頂高度對(duì)底板最大垂直位移的影響較大；切頂高度達(dá)到10 m（亞關(guān)鍵層高度）時(shí)，底板最大垂直位移為276.13 mm，相較于切頂0 m時(shí)下降了34%；當(dāng)切頂高度達(dá)到18 m（關(guān)鍵層高度）后，底板最大垂直位移為276.13 mm，相較于切頂0 m時(shí)下降了66.91%；切頂高度達(dá)到26 m時(shí)，底板最大垂直位移為177.57 mm，相較于切頂0 m時(shí)下降了43.02%；再增加切頂高度，對(duì)底板最大垂直位移的影響逐漸減小。整體來(lái)說(shuō)切頂高度越高，底板最大垂直位移越小，切頂高度達(dá)到關(guān)鍵層高度后，切頂高度對(duì)底板最大垂直位移的影響逐漸減小。

④切頂0 m時(shí)，煤柱幫最大水平位移為240 mm，切頂高度未達(dá)到10 m（亞關(guān)鍵層高度）時(shí)，煤柱幫最大水平位移隨著切頂高度的增加迅速減小，切頂高度對(duì)煤柱幫最大水平位移的影響較大；切頂高度達(dá)到10 m（亞關(guān)鍵層高度）時(shí)，煤柱幫最大水平位移為200.42 mm，相較于切頂0 m時(shí)下降了17%；當(dāng)切頂高度達(dá)到18 m（關(guān)鍵層高度）后，煤柱幫最大水平位移為130.67 mm，相較于切頂0 m時(shí)下降了54.44%；切頂高度達(dá)到26 m時(shí)，煤柱幫最大水平位移為170.80 mm，相較于切頂0 m時(shí)下降了28.84%；再增加切頂高度，對(duì)煤柱幫最大水平位移的影響逐漸減小。整體來(lái)說(shuō)，切頂高度越高，煤柱幫最大水平位移越小，切頂高低度達(dá)到關(guān)鍵層高度后，切頂高度對(duì)煤柱幫最大水平位移的影響逐漸減小。

綜合數(shù)值模擬分析結(jié)果，當(dāng)切頂高度為18 m時(shí)，卸壓效果最理想。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案

3.1 超前切頂方案

超前切頂卸壓施工范圍為5105巷工作面切眼至停采線外15 m，共計(jì)1 841 m。工作面回采前完成施工，至少超前回采面100 m完成。

3.1.1 目標(biāo)切頂高度。目標(biāo)切頂高度為基本頂上邊界，根據(jù)8105工作面柱狀圖及切頂高度模擬結(jié)果，確定目標(biāo)切頂高度為18.34 m。

3.1.2 爆破鉆孔參數(shù)。

① 鉆孔位置。爆破鉆孔距巷道中線距離S≥2 500 mm，總體施工原則為：開(kāi)孔位置盡量貼近回采幫肩角，且距巷道中線不小于2 500 mm，所有鉆孔開(kāi)孔位置成直線布置，具體如圖8所示。

②鉆孔角度。鉆孔垂直巷道中線，偏向采空區(qū)一側(cè)，傾角α=75°，即仰角75°。

③鉆孔直徑φ及間距L。鉆孔直徑φ=55±2 mm，鉆孔間距L=800 mm（可根據(jù)切頂效果調(diào)整）。

④鉆孔深度H。根據(jù)目標(biāo)切頂高度，考慮鉆孔傾角、煤層傾角及富余量，爆破鉆孔深度H見(jiàn)式（1）。

H=H0／cos90?α+σ+c （1）

式中：H₀為目標(biāo)鉆孔深度，m；α為鉆孔傾角，取75°；σ為煤層傾角，取2°；c為鉆孔設(shè)計(jì)深度，取0.1 m，鉆孔深度取19.30 m。爆破鉆孔布置如圖9所示。

3.1.3 裝藥及封孔結(jié)構(gòu)。

①炸藥。采用煤礦許用乳化炸藥，安全性等級(jí)為三級(jí)，可用于瓦斯與煤突出礦井內(nèi)進(jìn)行爆破作業(yè)。藥卷直徑φ=35 mm，藥卷長(zhǎng)度l=280 mm，藥卷重量m=300 g。

②裝藥長(zhǎng)度H_裝及封孔長(zhǎng)度H_封。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，深孔爆破封孔長(zhǎng)度應(yīng)不小于鉆孔深度的三分之一。考慮爆破后頂板斷裂線位置與高水墻體的關(guān)系，為防止頂板斷裂線位于墻體上方，不利于墻體施工空間的維護(hù)，適當(dāng)增加封孔長(zhǎng)度，以確保頂板斷裂線位于墻體外側(cè)或靠近墻體外側(cè)。確定裝藥長(zhǎng)度H_裝為12 m，封孔長(zhǎng)度H_封為7.3 m。

③裝藥量Q和藥卷數(shù)量N。單孔裝藥量見(jiàn)式（2）。

Q=（H_裝-0.3）·q （2）

式中：Q為爆破鉆孔單孔裝藥量，kg；H_裝為爆破鉆孔裝藥段長(zhǎng)度，m；0.3為孔底水炮泥長(zhǎng)度，0.3 m；q為線裝藥密度，kg/m，取0.4～1.2 kg/m。采用連續(xù)裝藥，取單列炸藥最大線裝藥密度1.07 kg/m。經(jīng)計(jì)算，確定單孔裝藥量Q=12.3 kg和藥卷數(shù)量N=41卷，裝藥及封孔結(jié)構(gòu)如圖10所示。

3.2 圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)施工范圍同切頂卸壓方案施工范圍，為5105巷工作面切眼至停采線外15 m，共計(jì)1 841 m。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)滯后切頂10 m開(kāi)始施工，滯后切頂最長(zhǎng)不超過(guò)20 m，應(yīng)在工作面回采前完成施工，至少超前工作面100 m完成。若出現(xiàn)切頂后頂板淺部破碎或頂板下沉等情況，則應(yīng)提前施工圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，至少超前切頂區(qū)域10 m。

3.2.1 頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。頂板采用“錨索帶”補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

①錨索：采用φ21.8 mm×8 300 mm鋼絞線，間排距1 000 mm/2 000 mm×1 000 mm，3-2-3-2垂直頂板布置，錨固力應(yīng)達(dá)到470 kN，預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到290 kN；點(diǎn)錨索采用300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度托盤，配合鋼帶的錨索采用200 mm×220 mm×12 mm異形托盤。

②JW鋼帶：垂直于巷道中線的JW鋼帶1規(guī)格2 500 mm×330 mm×6 mm，排距2 000 mm。平行于巷道中線的JW鋼帶2規(guī)格3 500 mm×330 mm×6 mm，排距4 000 mm。

3.2.2" 實(shí)體煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)工作面后方實(shí)體煤幫變形情況確定實(shí)體煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面如圖11所示，圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)平面如圖12所示。

3.3 巷旁讓壓防護(hù)方案

采用充填體進(jìn)行支護(hù)。充填體規(guī)格長(zhǎng)×寬×高=3.2 m×2.5 m×采高，沿巷道回采幫布置完全位于采空區(qū)內(nèi)。充填材質(zhì)為高水材料，水灰比例為1.5∶1。并采用對(duì)穿錨桿對(duì)充填體進(jìn)行加固，錨桿間排距為900 mm×800 mm，頂角錨桿距頂板500 mm，底角錨桿距底板300 mm，并配合φ14 mm鋼筋梯和φ6 mm×100 mm×100 mm鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表支護(hù)［8-9］。

4 沿空留巷效果分析

工業(yè)試驗(yàn)后，對(duì)5105工作面沿空留巷期間的圍巖變形進(jìn)行觀測(cè)，在滯后回采面200 m左右時(shí)，留巷段圍巖的變形基本趨于穩(wěn)定，具體如圖13所示，兩幫累計(jì)位移量總共794 mm，其中煤柱幫位移量267 mm，采空區(qū)側(cè)幫位移量527 mm；頂?shù)装謇塾?jì)位移量750 mm，其中頂板下沉量為208 mm，底鼓量為542 mm；兩幫位移速率為12.21 mm/d，頂板下沉速率為3.20 mm/d，底鼓位移速率為8.33 mm/d。沿空留巷變形實(shí)測(cè)曲線如圖14所示。

5 結(jié)論

①根據(jù)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理，結(jié)合層間距分布情況及切頂高度模擬確定了合理的切頂高度與切頂角度。

②確定了合理的切頂卸壓參數(shù)：目標(biāo)切頂高度為關(guān)鍵層，關(guān)鍵層根據(jù)取芯結(jié)果確定，為防止爆破溝通采空區(qū)瓦斯，引起安全隱患，實(shí)際切頂高度距采空區(qū)距離應(yīng)超過(guò)5 m。

③切頂卸壓沿空留巷頂板懸臂梁長(zhǎng)度越短，厚度越高，其承載能力越強(qiáng)，采用錨索將多層短壁梁組合成厚短壁梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)回采幫應(yīng)采用錨索+W鋼帶加強(qiáng)支護(hù)，一次見(jiàn)方、二次見(jiàn)方期間，必須采用高強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，從而提高留巷支護(hù)強(qiáng)度，減小留巷變形。

④現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，5105留巷段頂?shù)装逦灰屏繛?50 mm，兩幫位移量為794 mm，留巷斷面尺寸滿足使用要求，留巷效果良好。

參考文獻(xiàn)：

［1］張堯.晉華宮礦8714工作面切頂卸壓沿空留巷方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.煤礦現(xiàn)代化，2021，30（5）：29-31.

［2］李愛(ài)軍，王.高地應(yīng)力切頂留巷圍巖快速控制技術(shù)研究［J］.煤炭工程，2020，52（4）：28-32.

［3］王傳繩.切頂卸壓技術(shù)在薄及中厚煤層沿空留巷中的應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2021，40（8）：41-43.

［4］黃林.長(zhǎng)榆河煤礦103工作面切頂卸壓沿空留巷設(shè)計(jì)［J］.煤礦現(xiàn)代化，2022，31（4）：13-15，20.

［5］鄭立軍，王文，張廣杰.高應(yīng)力綜放工作面切頂卸壓沿空留巷開(kāi)采技術(shù)研究［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，40（6）：43-53.

［6］馬新根，何滿潮，李先章，等.切頂卸壓自動(dòng)成巷覆巖變形機(jī)理及控制對(duì)策研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，48（3）：474-483.

［7］何滿潮，王亞軍，楊軍，等.切頂成巷工作面礦壓分區(qū)特征及其影響因素分析［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，47（6）：1157-1165.

［8］姚健.綜采面無(wú)煤柱沿空留巷充填體承載特性及穩(wěn)定性分析［J］.山東煤炭科技，2019（7）：14-16，19.

［9］ 柏建彪，張自政，王襄禹，等.高水材料充填沿空留巷應(yīng)力控制與圍巖強(qiáng)化機(jī)理及應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2022，50（6）：16-28.