石炭系中厚煤層條件下切頂卸壓自成巷技術(shù)研究

李海清

1 前言

無煤柱自動成巷技術(shù)一般可使采區(qū)回采率提高10%～30%，減少順槽巷道掘進量50%，此外在緩解工作面接續(xù)緊張、緩解礦山壓力顯現(xiàn)、減少巷道掘進工程量、降低瓦斯涌出以及消除自燃發(fā)火根源等方面也能取得良好效果，使得經(jīng)濟效益和安全效益大幅提高。本文以某石炭系煤層開采礦井地質(zhì)條件為背景，從支護方案、切頂爆破設計以及監(jiān)測手段等方面詳細介紹了切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)及工藝，該技術(shù)的成功應用為類似地質(zhì)條件下實施無煤柱開采技術(shù)提供了一定的參考依據(jù)。

2 試驗工作面概況

石炭系山4#層8304 工作面、8305 工作面為本文試驗無煤柱開采的工作面。工作面埋深369 m～396 m，頂板巖性為高嶺質(zhì)泥巖、炭泥巖、高嶺巖、高嶺質(zhì)泥巖，屬軟巖頂板。8304工作面皮帶巷設計750 m，斷面（寬×高）5 m×3.1 m，采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)支護；回風巷設計750 m，斷面（寬×高）5 m×3.1 m，采用錨桿、恒阻大變形錨索、普通錨索、金屬網(wǎng)支護；切眼設計127 m，斷面（寬×高）8 m×3.1 m，采用錨桿、普通錨索、五眼組合錨索、金屬網(wǎng)支護。

8305 工作面與8304 工作面按無煤柱留設，8305工作面皮帶巷設計760 m，面（寬×高）5.1 m×3.4 m，采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)支護；回風巷即為8304工作面回風巷；切眼設計110 m，斷面（寬×高）8 m×3.1 m，采用錨桿、普通錨索、五眼組合錨索、金屬網(wǎng)支護。

3 切頂卸壓成巷方案設計

方案設計思路為：“切頂卸壓自動成巷+恒阻大變形錨索支護”。預裂切縫爆破能夠在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，從而減弱巷道頂板壓力；恒阻大變形錨索的補強加固能夠控制頂板下沉，使所留巷道圍巖最大限度地發(fā)揮自身承載作用，減小巷道變形，保證留巷效果。工作面推進過程中，所留巷道會因動壓影響出現(xiàn)圍巖破碎及變形等問題，需要對所留巷道采取相應的支護及維護方案措施。

3.1 巷道錨網(wǎng)支護設計

本方案設計在頂板預裂切頂前先施工恒阻大變形錨索對切頂側(cè)頂板進行補強加固維護。恒阻大變形錨索共布設3 列，第一列距切頂留巷幫300 mm，排距1 000 mm；第二列與第一列間距1 800 mm 排距2 000 mm；第三列與第一列間距1 200 mm，排距為4 000 mm。第一列恒阻錨索相鄰錨索之間用W鋼帶連接（W鋼帶平行于巷道走向），恒阻錨索支護展開見圖1。

圖1 恒阻錨索補強支護巷道展開圖

3.2 頂板預裂切縫設計方案

采用雙向聚能爆破預裂技術(shù)，將特定規(guī)格的炸藥裝在兩個設定方向有聚能效應的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設定方向上均勻受壓，而在設定向上集中受拉，確保巖石能夠按設定方向爆破拉裂成型，從而實現(xiàn)被爆破巖體按設定方向張拉斷裂成型。

預裂切縫深度（H縫）臨界設計公式如下：

式中，ΔH1：頂板下沉量，m；ΔH2：底臌量，m；K：碎脹系數(shù)，1.3～1.5；

根據(jù)頂板巖性，本設計K 為1.4，根據(jù)鉆孔資料顯示，煤厚變化不大，在不考慮底臌及頂板下沉的情況下，取工作面最大采高為2.4 m 時，設計切縫深度為6.0 m。切縫孔布置在巷幫與頂板夾角處，與鉛垂線夾角為10°，切縫孔間距為500 mm。

為了更好的適應頂板整體巖性，本次預裂爆破最初先進行單孔爆破試驗，以此來觀察及選擇裝藥量、封泥長度等合理參數(shù)，然后施工間隔爆破工序，通過窺視儀觀察相鄰炮孔間裂隙的連接情況。如兩相鄰裝藥孔間空孔裂紋未達到裂縫率要求標準，再進行一次連續(xù)爆破試驗，最終確定一次爆破孔數(shù)以及爆破方式等。

3.3 臨時支護設計方案

工作面開采后，頂板開采垮落，且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時間，因此距工作面較近的架后區(qū)域不僅需要進行頂板支護，還需進行擋矸支護。根據(jù)以往現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，將工作面附近劃分為三個區(qū)：超前支護區(qū)（工作面前方30 m），架后臨時支護區(qū)（架后0 m～200 m）和成巷穩(wěn)定區(qū)（架后200 m 之后），不同分區(qū)根據(jù)需要采取不同的支護措施。

3.3.1 超前支護區(qū)（煤壁前方0 m～30 m）

采用單體液壓支柱配合“π”型梁進行超前支護，單體支柱采用“一梁三柱”方式垂直巷道布置。超前支護單體液壓支柱間距1 200 mm，排距1 000 mm，超前支護π梁與π梁間單體支柱使用硬連接裝置連接。

3.3.2 架后臨時支護區(qū)（架后0 m～200 m）

圖2 架后臨時支護側(cè)視圖

此段巷道位于工作面超后影響區(qū)，采空區(qū)頂板巖石垮落會對巷道頂板產(chǎn)生一定的摩擦作用，巷道受動壓影響明顯，頂板壓力較大。因此，在架后0 m～200 m范圍內(nèi)，采用單體液壓支柱+U29 型鋼進行擋矸支護。單體支柱排距1 000 mm，單體與U 型鋼間距為500 mm。

3.3.3 成巷穩(wěn)定區(qū)（架后200 m之后）

此段巷道受采動影響很小，頂板下沉量及單體支柱的壓力變化很小，可認為該區(qū)域已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，可將臨時支護單體撤掉，只保留U 型鋼可縮支架進行擋矸。

3.4 設計參數(shù)表

表1 設計參數(shù)

4 結(jié)論

4.1 現(xiàn)場應用效果

8304工作面于2017年12月1日開始生產(chǎn)，2018年4 月結(jié)束（留巷完成），設備搬家至8305 工作面。8304開采留巷期間，尾端頭支架后方有弧形懸板5×8 m2，頂板垮落造成擋矸設備發(fā)生變形，但整體留巷效果較好。如下圖a 為工作面未開采時的巷道情況，圖b、圖c、圖d 為切頂留巷后的現(xiàn)場效果圖，通過現(xiàn)場應力監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，工作面開采過程中超前范圍內(nèi)的壓力顯現(xiàn)不明顯，且應力較小；恒阻大變形錨索變形量也較小。

通過以上切頂卸壓成巷的方案設計，8304工作面在開采過程中，僅是因頂板垮落造成擋矸設備發(fā)生變形，但整體留巷效果較好。

4.2 經(jīng)濟社會效益

（1）經(jīng)濟效益：經(jīng)計算可知，相較于鄰近區(qū)域留設煤柱的工作面，采用切頂卸壓成巷無煤柱開采工藝可多回收煤量11萬噸，若按50元/噸的開采利潤計算，可多回收利潤550萬元。此外，按照掘進1米巷道成本3 000 元計算，本無煤柱開采工藝可少掘一條750 m 巷道，可節(jié)約成本約225萬元。

（2）社會效益：一是減少一條巷道掘進的工程量，節(jié)省了現(xiàn)場工作人員的工作量；二是實施無煤柱開采工藝可有效解決上隅角瓦斯超限的問題；三是上層煤實施無煤柱開采，可有效解決開采下層煤時受上層煤柱集中應力影響的問題。