切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術的應用

高 尚

(西山煤電股份有限公司 馬蘭礦，山西 太原 030205)

實現煤礦可持續發展的關鍵在于合理開采，利用現有煤炭資源，提高資源回采率。“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護”是回采工作面巷道支護技術的一項重大革新，是實現無煤柱開采的主要技術措施之一，技術經濟優勢明顯，符合綠色采礦、科學采礦的發展思路，在理論和實用價值層面促進了無煤柱技術的發展。為此分析了自動成巷無煤柱開采技術的應用研究成果，探討了該技術的發展方向，可為降低掘進率及生產成本，提高工效，解決采煤工作面銜接緊張的局面提供借鑒。

1 工作面概況

西山煤電股份有限公司馬蘭礦12605工作面位于南六采區集中皮帶巷東南側，工作面東北側為12603工作面，與本工作面相距23 m，西南側為未開采區域，切眼東南側為采區邊界。

12605工作面屬南六采區2#煤層，正巷設計長度為931 m，切眼設計長度為220 m，均采用矩形斷面。巷道跟頂跟底掘進，坡度4°～9°，工作面基本情況見表1.

12607工作面目前已推進50 m，此處為切頂卸壓無煤柱留巷段起始位置，留巷段切頂卸壓施工終點位置即為停采線位置，設計留巷段為700 m.

表1 12605工作面基本情況表

2 切頂卸壓技術

切頂卸壓預裂切縫技術應用了聚能效應，利用巖石的抗壓怕拉特征。進行爆破時，使巖石朝著特定的方向爆破，以實現定向爆破效果。此種爆破技術是綜合了聚能爆破、定向爆破等多種爆破方法，逐步發展而形成的一項爆破技術，該技術施工工藝較為簡單，易于操作，在操作時只需要預先施工好爆破孔，然后雙向裝藥，并使聚能方向對應于巖體預裂方向。在此過程中設定好方向，使爆破時在此方向上形成聚能流，并產生張拉應力，使預裂孔能夠沿著能聚的方向進行，這樣既能節約炸藥能耗，也能對巖石起到保護作用。

根據該礦以往切頂卸壓留巷經驗，合理預裂切縫深度(H縫)設計一般大于2.5倍采高，即H縫≥2.5H煤.

另外，預裂切縫鉆孔深度與采高、頂板下沉量及底鼓量有關，一般通過如下公式確定：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(k-1)

式中：

ΔH1—頂板下沉量，m；

ΔH2—底鼓量，m；

k—碎脹系數，取1.3～1.5.

泥巖碎脹系數為1.4，砂巖碎脹系數為1.3，根據12605工作面頂板巖性分布可知，切頂范圍內泥巖占比約40%，砂巖占比約60%，通過加權平均計算得，采空區頂板垮落后巖石碎脹系數k為1.34. 根據補打鉆孔資料顯示，煤厚變化不大，在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，工作面采高H煤為2.4 m時，計算得H縫=7.0 m. 綜合考慮上述計算結果，預裂切縫孔深度設計為H縫=7 m.

根據該礦實踐經驗，切縫孔布置在巷幫與頂板夾角處，與鉛垂線夾角為15°，切縫孔間距為500 mm時，現場的爆破成縫效果最好。切縫鉆孔布置圖見圖1.

圖1 切縫鉆孔布置圖

1) 確定裝藥量和封孔長度，這需要進行單孔試驗爆破。2) 觀察兩相鄰裝藥孔的爆破情況，為達到該目標需要進行間隔爆破。3) 連續爆破試驗，以此確定爆破方式和爆破孔的數量，炮孔試驗參數見圖2.

圖2 炮孔參數試驗方案圖

在頂板預裂切縫技術中使用的雙向聚能管，其外徑42 mm，內徑36.5 mm，長度1.5 m，使用的炸藥種類為煤礦乳化炸藥，用炮泥封孔。

距12605切眼(12607工作面為下接替面，位于12605西南側)50 m處開始進行切縫鉆孔施工并預裂爆破，開始切縫鉆孔位于非回采側，即副幫頂角處，在密閉墻里垂直巷道走向布設兩排鉆孔，排距500 mm. 切縫鉆孔布設于回采側，切縫孔間距500 mm，角度15°，鉆頭直徑為48 mm，深度7 000 mm，采用特制聚能管、藥卷及封泥進行爆破作業，12605切眼附近預裂爆破示意圖見圖3.

3 恒阻大變形錨索支護技術

為了保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩定性，在對巷道頂板進行預裂切頂前采用恒阻大變形錨索補強加固。

為使恒阻錨索在留巷的過程中發揮較好的懸吊作用，同時有效保護錨固端，恒阻錨索長度一般設計為H縫+2.3 m，并確保錨固端位于較穩定巖層內。考慮到頂板巖層分布、巷道原有支護參數及原有瓦斯鉆孔布置情況，對恒阻錨索支護進行分區設計，TC750 m—TC600 m區段(TC600 m之前)恒阻錨索設計長度10.3 m，TC600 m—TC50 m區段(TC600 m之后)恒阻錨索設計長度9.3 m.

圖3 12605切眼附近預裂爆破示意圖

恒阻錨索補強支護密度一般為每米補打1～2根錨索，另外恒阻錨索主要布設于切縫側對于頂板支護更為有利。根據以往工程經驗，結合巷道原有支護形式和參數，恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，共布設3列，第一列恒阻錨索距留巷正幫500 mm，排距1 000 mm；第二列位于中線布設，排距6 000 mm；第三列距巷道副幫1 200 mm布置，排距為6 000 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)，恒阻錨索支護圖見圖4，巷道支護展開圖見圖5.

圖4 恒阻錨索支護設計圖

該技術中所使用的錨索，d21.6 mm，長度為10.3 m或者9.3 m，恒阻器的長度為450 mm，d68 mm.

切眼及硐室加強支護設計：12605正巷與12607切眼交叉口處，即12607切眼內15 m、切眼預留5 m硐室及12605正巷15 m需進行加強支護設計，其中12607切眼內布設兩列恒阻錨索，間排距1 600 mm×2 000 mm，錨索長度10 300 mm；12605正巷內布設4列恒阻錨索，第一列恒阻錨索距留巷正幫500 mm，排距1 000 mm；第二列距巷道正幫1 200 mm布置，排距為6 000 mm. 第三列位于中線布設，排距6 000 mm；第四列距巷道副幫1 200 mm布置，排距為6 000 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)，切眼交叉口附近恒阻錨索加強支護圖見圖6.

留巷段的絞車硐室、材料硐室及排水硐室等，在回采前需進行退錨處理。硐室口及前后5 m范圍內對頂板加強支護。

4 施工工藝

圖5 恒阻錨索加強支護巷道展開圖

圖6 切眼交叉口附近恒阻錨索加強支護圖

工作面正巷恒阻錨索加固及切頂缷壓總體施工過程如下：

1) 恒阻錨索加強支護，按所設計的支護參數施工恒阻大變形錨索加固巷道，并在切縫側恒阻錨索沿著巷道走向添加W鋼帶提高整體支護性能。

2) 頂板預裂爆破鉆孔施工及頂板預裂爆破施工，從工作面留巷段切頂卸壓施工起始位置，即：壓道處開始施工爆破鉆孔，爆破鉆孔參數為：間距500 mm，深度7 000 mm，與垂直方向夾角為15°. 爆破時，每個爆破鉆孔安設4根聚能管，其中三根聚能管長度為1.5 m，一根聚能管長度為1 m，孔口封泥長度為1.5 m，具體裝藥量及爆破方式根據現場試驗效果確定。

3) 架后擋矸支護，待工作面推過后，及時在工作面支架爆破切縫側進行擋矸支護，在靠近采空區側，間距500 mm安設單體支柱，每兩根單體之間鋪設鋼筋網并布置可伸縮U型鋼，使用木楔將其緊固，防止可伸縮U型鋼滑動；單體必須加設柱靴增加工作阻力。

4) 噴漿封閉，對冒落不充分的區域，整理完好，進行噴漿，保證巷道穩定性。

5 應用效果分析

1) 切頂留巷成本：合計1 942萬元(單價11 027元/m).

其中，主要包括：切頂投入材料費、專家技術費894萬元，單價5 073元/m；該礦投入支護材料，擋矸材料、封閉材料、爆破材料722萬元，單價4 100元/m；該礦留巷投入的人工費及后期維護人工費326萬元，單價1 851元/m.

2) 掘送一條巷道的成本：1 098萬元。

相鄰工作面少掘送一條巷道1 800 m，共1 098萬元，成本6 100元/m；留巷成本比掘送巷道多投入844萬元。

3) 實際效益：2 688萬元。

回收煤柱:4 630萬元(多回采原煤11.3萬t，原煤價格410元/t). 切頂留巷成本：1 942萬元；新增效益：4 630-1 942=2 688萬元。

該礦已回采工作面均采用預留保護煤柱的開采工藝，資源浪費較多，采用自動成巷開采技術，降低了相鄰巷道掘進礦山壓力顯現的影響，減少了巷道維護量，有效提高了資源的回收率，經濟效益顯著。通過上述經濟分析，該礦使用切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術，每條巷道可增加2 688萬元的效益。

參 考 文 獻

[1] 秦永洋,許少東,楊張杰.深井沿空掘巷煤柱合理寬度確定及支護參數優化[J].煤炭科學技術，2010,38(2)：15-18