煤礦井下切頂卸壓無煤柱綜采工藝技術(shù)研究

耿志明

（中陽縣應(yīng)急管理局，山西 呂梁 033400）

隨著我國(guó)煤礦事業(yè)的現(xiàn)代化建設(shè)和發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模逐漸加大，巷道返修的幾率增長(zhǎng)，造成了嚴(yán)重的圍巖變形問題。改變傳統(tǒng)的留巷工藝，加強(qiáng)對(duì)沿空留巷技術(shù)的研究和應(yīng)用，已經(jīng)成為了目前我國(guó)煤礦事業(yè)發(fā)展中的重要研究課題。利用切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)，將部分頂板礦山壓力的傳遞切斷，實(shí)現(xiàn)無煤柱開采的目標(biāo)，需要結(jié)合工作面的具體情況，合理的利用切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)，提高生產(chǎn)水平和綜采工作面的生產(chǎn)安全。

1 綜采工作面應(yīng)用切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)的方案

1.1 綜采工作面應(yīng)用切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)原理

切頂頂卸無煤柱回采工藝從根本上來說是一種超前回采技術(shù)，在技術(shù)應(yīng)用中靠近回采幫壁，沿著回采巷道，可以有效地預(yù)防頂板安全事故問題的發(fā)生。切頂卸壓無煤柱回采工藝技術(shù)使用了雙向聚能爆破手段，在頂板巖層中構(gòu)成弱面，改變了頂板應(yīng)力場(chǎng)，取得了理想的切頂頂卸效果。以該原理為依據(jù)，切落的頂板巖層會(huì)出現(xiàn)碎脹接頂，從而產(chǎn)生支撐力，對(duì)上部的頂板進(jìn)行支撐。和無煤柱回采工藝技術(shù)相比，切頂頂卸無煤柱回采工藝具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，除此之外，巷旁充填沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用與先進(jìn)的切頂頂卸無煤開采技術(shù)相比，同樣無法達(dá)到新工藝、新技術(shù)所取得的技術(shù)應(yīng)用成果。因?yàn)槔们许斝秹簾o煤柱回采工藝，可以對(duì)頂板上的受力狀態(tài)進(jìn)行有效的改善，借助雙向爆破切縫工藝，定向切割上部覆巖層，從而達(dá)到理想的技術(shù)應(yīng)用效果，保證在一定高度的區(qū)域內(nèi)，巷道頂板和采空區(qū)頂板之間形成充分分離的狀態(tài)，將這二者之間的應(yīng)力傳播途徑徹底阻斷，以此達(dá)到轉(zhuǎn)移支撐力的目的，回采側(cè)向支撐力轉(zhuǎn)移到了深部煤體。采空區(qū)頂板垮落碎脹的過程中會(huì)產(chǎn)生一定的作用力，對(duì)老頂斷裂后的回轉(zhuǎn)空間進(jìn)行了大幅度的削弱處理，改善了巷道頂板的應(yīng)力環(huán)境，顯著地優(yōu)化了頂板的環(huán)境安全性，創(chuàng)建起便捷的條件，促使沿空留巷作業(yè)活動(dòng)的順利開展，節(jié)約了作業(yè)成本。利用工作面切頂卸壓無煤柱回采技術(shù)工藝，可以將落后的作業(yè)模式改進(jìn)，頂板自然、無序垮落的作業(yè)模式被代替，有序的按照巷道采空區(qū)頂板的作業(yè)流程垮落，提高了掘進(jìn)效率，加快了煤炭的生產(chǎn)速度，大幅度的節(jié)約成本。因?yàn)橹ёo(hù)投入的成本可以節(jié)約下來，因此整體的生產(chǎn)成本縮減，煤炭生產(chǎn)中的回采效率和綜合生產(chǎn)效益顯著提升。

1.2 技術(shù)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

以山西呂梁市某煤礦為例，1200 工作面的工作面標(biāo)高778～802m，地面標(biāo)高為1121～1225m，工作面走向長(zhǎng)度300m，傾斜長(zhǎng)度190m，煤層平均厚度為2.3m，傾角7.6°。在生產(chǎn)中，使用傾斜長(zhǎng)臂綜合機(jī)械化技術(shù)和一次采全高采煤工藝，布置工作面，了解頂?shù)装宓木唧w情況，老頂和直接頂?shù)暮穸确謩e為0.9m、0.8m，老頂、直接底和老底的厚度為1.3m、0.3m、1.4m。采取切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)進(jìn)行無煤柱開采，將該技術(shù)作為主要的無煤柱開采技術(shù)，可以減小作業(yè)壓力，簡(jiǎn)化技術(shù)工序工作面，生產(chǎn)效率較高，人工強(qiáng)度以及人工勞動(dòng)的時(shí)間均有所減少。1200運(yùn)輸巷道的生產(chǎn)中使用切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)應(yīng)用，可以將工作面之間的煤柱損失量減少，節(jié)約了成本費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了高效率生產(chǎn)、安全生產(chǎn)的目標(biāo)。

對(duì)比傳統(tǒng)的綜采技術(shù)方案中需要留設(shè)大量煤柱的形式，支護(hù)頂板中，浪費(fèi)了大量的煤炭資源，對(duì)綜采作業(yè)的效率也會(huì)形成直接的影響，借助切頂卸壓無煤柱綜采工藝技術(shù)，可以對(duì)頂板結(jié)構(gòu)變形問題進(jìn)行有效的控制。采用滑移讓位、護(hù)幫加波浪式多組護(hù)幫錨桿支護(hù)的方法，增強(qiáng)了施工的效率，簡(jiǎn)化了施工工藝，提高了綜采工作面的生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效益。通過超前預(yù)制切縫的方法對(duì)頂板進(jìn)行處理，可以對(duì)頂板和采空區(qū)之間的應(yīng)力傳遞途徑進(jìn)行管控，切斷應(yīng)力傳遞的途徑，使得煤礦井下巷道頂板更加的穩(wěn)固、安全，是一項(xiàng)值得大范圍推廣和使用的技術(shù)手段，井下切頂成巷工藝流程見圖1[1]。

圖1 井下切頂成巷工藝流程

2 切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)的要點(diǎn)

2.1 明確切頂卸壓工藝流程

在該煤礦井下巷道的生產(chǎn)作業(yè)中，明確切頂卸壓工藝的具體流程，是必要的前提，目的是要提高切頂卸壓無煤柱綜采工藝技術(shù)的應(yīng)用水平、應(yīng)用效能，切頂卸壓工藝流程主要涵蓋了4個(gè)部分。

2.1.1 參數(shù)計(jì)算

第1步是要對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)有關(guān)參數(shù)制定煤礦井下巷道頂板的支護(hù)計(jì)劃，在計(jì)算支護(hù)參數(shù)時(shí)，應(yīng)以巷道的地質(zhì)條件為依據(jù)，對(duì)來壓時(shí)的周期和礦壓波動(dòng)情況加強(qiáng)掌握。如果頂板的巖層穩(wěn)定性不足，或是巷道緊鄰采空區(qū)域位置，則需要在獲取的計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)之上，增加一個(gè)安全系數(shù)。

2.1.2 預(yù)爆破孔設(shè)置

第2步流程是在回采期間設(shè)置預(yù)爆破孔，加強(qiáng)超前綜采面施工安全、施工效益的保障，爆破后形成切縫，以此實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)頂板預(yù)裂切縫的目標(biāo)，爆破孔的設(shè)置環(huán)節(jié)通常要以超前100m 的距離為主，制定超前爆破方案。設(shè)置爆破孔時(shí)，要結(jié)合綜采工作面的實(shí)際情況，確保爆破孔間距的合理性，滿足一定的安全爆破要求和經(jīng)濟(jì)性的要求。

2.1.3 確認(rèn)切縫位置

第3 個(gè)流程是要在井下綜采作業(yè)工作面逐步的推進(jìn)中，把握具體的切縫位置，工作面推進(jìn)到切縫位置之后，應(yīng)立即采取加強(qiáng)支護(hù)的方式，對(duì)綜采工作面后側(cè)位置進(jìn)行支護(hù)處理，確保綜采作業(yè)過程的安全性。利用臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)的有關(guān)方案，完善螺紋鋼相互鎖扣配合的方案，實(shí)現(xiàn)快速拆卸、快速支護(hù)的目標(biāo)，增強(qiáng)井下巷道支護(hù)的有效性、安全性[2]。

2.1.4 壓實(shí)處理

第4步是需要不斷加強(qiáng)壓實(shí)作業(yè)，隨著綜采工作面的推進(jìn)和生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)行，沿著預(yù)裂縫，要保證采空區(qū)域的巷道頂板垮落壓實(shí)，直到形成具有一定穩(wěn)定性的支護(hù)結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行統(tǒng)一的撤除處理。將臨時(shí)支護(hù)設(shè)備撤離現(xiàn)場(chǎng)，并采取密封隔離的方法，對(duì)綜采完成的采空區(qū)域進(jìn)行處理，最終加強(qiáng)留巷處理。按照上述步驟進(jìn)行井下切頂成巷工藝技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)始終遵循著安全生產(chǎn)、高效生產(chǎn)的原則，提高技術(shù)應(yīng)用的可行性和合理性效果[3]。

2.2 滑移讓位護(hù)幫支護(hù)結(jié)構(gòu)

結(jié)合綜采工作面的實(shí)際情況，考慮到煤礦井下巷道頂板來壓時(shí)有著較大的壓力，需要改變傳統(tǒng)的固定式擋護(hù)結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣潭ㄊ綋踝o(hù)結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)變形和彎曲。特別是在無煤柱支撐的環(huán)境下，由于承壓過大，變形彎曲的風(fēng)險(xiǎn)較高，增加了巖層垮落的風(fēng)險(xiǎn)，最終破壞了煤礦井下綜采作業(yè)的安全性。結(jié)合支護(hù)要求，為了確保綜采工作面的新工況的安全性，需要根據(jù)對(duì)支護(hù)安全要求的解析。采取滑移讓位護(hù)幫支護(hù)結(jié)構(gòu)，使用U型鋼井下滑移讓位護(hù)幫支護(hù)的方法，改造原有的結(jié)構(gòu)形式，改造固定式的擋護(hù)結(jié)構(gòu)方法，使用兩節(jié)U 型鋼，采取疊加處理的方式，構(gòu)建起穩(wěn)固性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式[4]。

為了防治護(hù)幫在頂板礦壓作用下產(chǎn)生的滑移風(fēng)險(xiǎn)，需要采取卡纜的形式，防范形變風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)護(hù)幫板的抗橫向形變性能，降低形變幾率。利用U 型護(hù)板結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)支護(hù)構(gòu)件的穩(wěn)定性，即使受到了礦壓的作用影響，U型護(hù)板結(jié)構(gòu)下支護(hù)構(gòu)件仍舊能夠保持一定的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)垮落區(qū)域穩(wěn)定支護(hù)。拆除擋護(hù)體，重復(fù)連續(xù)利用支護(hù)構(gòu)件，增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，強(qiáng)調(diào)其經(jīng)濟(jì)性效果，在重復(fù)利用中發(fā)揮出滑移讓位護(hù)幫的支護(hù)功能，體現(xiàn)出一定的支護(hù)優(yōu)勢(shì)[5]。

2.3 波浪式多組護(hù)幫錨桿支護(hù)

當(dāng)出現(xiàn)綜采工作面和頂板垮塌過程中不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，要確保巷道頂板的穩(wěn)定性，主要采取的是井下滑移讓位護(hù)幫支護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著生產(chǎn)活動(dòng)的逐步進(jìn)行，垮塌部分將會(huì)逐步完成垮塌。隨著煤幫穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，需要進(jìn)一步地采取整體式加強(qiáng)支護(hù)的處理方法，對(duì)煤幫碎石部分進(jìn)行加固處理，以確保碎石幫具有良好的抗形變性能，提高整體的承壓性效果。可以利用井下護(hù)幫可靠支護(hù)理論作為支撐，考慮到碎石垮落之后的堆砌現(xiàn)象，對(duì)承重墻體結(jié)構(gòu)的塊狀外形進(jìn)行分析，需要采取錨固處理的方法，對(duì)堆砌的墻體進(jìn)行進(jìn)一步的處理。對(duì)堆砌墻體橫向位移的情況進(jìn)行防范、治理，增強(qiáng)墻體的抗壓能力，強(qiáng)化墻體整體的抗倒性能，采取錨固處理時(shí)，針對(duì)墻體的安全性能進(jìn)行加固改造。應(yīng)用到的錨桿結(jié)構(gòu)，是影響支護(hù)穩(wěn)定性和可靠性的直接因素，采取新型波浪式多組護(hù)幫錨桿結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)功能，適應(yīng)碎石護(hù)幫結(jié)構(gòu)所具有的特性。

應(yīng)用到了以螺紋鋼為主體制作成的鋼體結(jié)構(gòu)，在鋼鐵上有多個(gè)凸起的結(jié)點(diǎn)，凸臺(tái)均勻分布，因此碎石幫支護(hù)作業(yè)的環(huán)節(jié)，將會(huì)形成一個(gè)完整的受拉結(jié)構(gòu)。借助錨桿的拉應(yīng)力，對(duì)碎石幫側(cè)向應(yīng)力形成了一定的抵抗作用，在各種沖擊壓力下，始終保證碎石邦的穩(wěn)定性，控制幫護(hù)結(jié)構(gòu)受到的壓力，從而達(dá)到安全生產(chǎn)的目標(biāo)。在波浪式多組護(hù)幫錨桿支護(hù)方案的應(yīng)用過程中，要把握設(shè)置錨桿的環(huán)節(jié)，同時(shí)進(jìn)行綜采工作面的施工和波浪式多組護(hù)幫錨桿的施工。因?yàn)榇藭r(shí)垮落碎石沒有完全達(dá)到一定的高程度壓實(shí)狀態(tài)，因此處理的過程較為容易，可以合理的設(shè)置擋護(hù)結(jié)構(gòu)，相對(duì)較為便捷的展開施工。

隨著綜采作業(yè)面的生產(chǎn)過程持續(xù)的推進(jìn)，在作業(yè)環(huán)節(jié)，碎石幫處于不斷持續(xù)被擠壓的狀態(tài)，直到形成一個(gè)完整的支護(hù)體結(jié)構(gòu)，具有一定的穩(wěn)定性和整體性。為了對(duì)碎石向外垮落時(shí)的應(yīng)力進(jìn)行防控，降低應(yīng)力水平，可以借助碎石和錨桿前端凸結(jié)之間形成的相互作用所發(fā)揮的功能，傳送拉力。將錨桿自由端的拉力向碎石幫靠近采空區(qū)的一側(cè)傳輸，降低了應(yīng)力水平，向外垮落的過程中，應(yīng)力水平減小，從而增強(qiáng)了碎石幫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性效果。波浪式多組護(hù)幫錨桿結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)固的性能，利用波浪式多組護(hù)幫錨桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行錨桿施工作業(yè)，改進(jìn)落后的擋護(hù)結(jié)構(gòu)形式，要從工作面的實(shí)際情況著手，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的研究，發(fā)揮出錨桿結(jié)構(gòu)應(yīng)有的功能，傳統(tǒng)留巷方法及順槽施工見圖2[6]。

圖2 傳統(tǒng)留巷方法及順槽施工

3 結(jié)論

綜上所述，利用切頂線壓自動(dòng)成巷新技術(shù)，可以將卸壓斷頂超前施工的功能發(fā)揮和利用起來，將主要工序中難以實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)中存在的問題改進(jìn)，提高回采效率，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，降低人工作業(yè)的強(qiáng)度水平。發(fā)揮出綜采工作面中切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)的煤礦生產(chǎn)活動(dòng)順利實(shí)施提供技術(shù)支持和保障，制定可行的生產(chǎn)方案、技術(shù)規(guī)劃。