切頂卸壓技術(shù)在小煤柱沿空掘巷中的應(yīng)用

關(guān)崇偉

(大同煤礦集團(tuán) 晉華宮煤礦， 山西 大同 037000)

目前，采煤工作面區(qū)段巷道布置一般采用沿空掘巷和沿空留巷兩種方式。沿空留巷布置在應(yīng)力降低區(qū)，有利于控制巷道圍巖變形，但存在通風(fēng)、采空區(qū)殘煤自燃、積水等問題。為解決這些問題，需要在沿空留巷過程中采取架前鋪設(shè)擋矸網(wǎng)、架后壘砌矸石袋、沿空留巷加強(qiáng)支護(hù)及整改等措施，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了巷道維護(hù)費(fèi)用。目前沿空留巷僅用于薄煤層開采。

沿空掘巷分為留大煤柱沿空掘巷和留小煤柱沿空掘巷，留大煤柱沿空掘巷，巷道布置在原巖應(yīng)力區(qū)，有利于控制巷道圍巖變形，但浪費(fèi)了煤炭資源。留小煤柱沿空掘巷，巷道布置在應(yīng)力升高區(qū)，隨著巷道頂板巖層的回轉(zhuǎn)垮落，圍巖應(yīng)力狀態(tài)逐漸趨于原巖應(yīng)力狀態(tài)，這種圍巖穩(wěn)定過程一般需要6個(gè)月左右。隨著采煤技術(shù)的發(fā)展以及采煤裝備的不斷升級(jí)，采煤速度也越來越快，礦井的采掘接替緊張局面也越來越嚴(yán)重，不得不提前進(jìn)行沿空掘巷，這樣巷道圍巖還未趨于穩(wěn)定，巷道處于應(yīng)力升高區(qū)，巷道變形無法避免。

針對(duì)小煤柱沿空掘巷巷道支護(hù)難題，大同煤礦集團(tuán)晉華宮煤礦借鑒中國科學(xué)院院士何滿潮先生提出的切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)原理，以“切頂短臂梁”理論為基礎(chǔ)，對(duì)大采高留小煤柱沿空掘巷巷道切頂卸壓支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，提出了以“爆破預(yù)裂切頂卸壓+恒阻錨索支護(hù)”為主體的技術(shù)方案，通過對(duì)巷道頂板提前進(jìn)行爆破預(yù)裂切頂卸壓，減少巷道頂板巖層回轉(zhuǎn)垮落時(shí)間，使巷道處于原巖應(yīng)力區(qū)，同時(shí)對(duì)沿空掘巷巷道采用恒阻錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，減小巷道變形。

1 切頂卸壓小煤柱開采原理

工作面回采后，受短臂梁作用，采空區(qū)四周巖層不能及時(shí)垮落，形成懸頂，在小煤柱上方的懸頂巖層需要較長時(shí)間才能回轉(zhuǎn)、垮落。

沿空掘巷切頂卸壓技術(shù)，是采用雙向聚能爆破預(yù)裂切縫技術(shù)，在設(shè)計(jì)的預(yù)裂切縫線上施工炮眼至基本頂，采用雙向聚能裝置裝藥，利用巖石抗壓不抗拉的特點(diǎn)，炮孔周圍圍巖在特定方向自由面受壓應(yīng)力，非特定方向自由面受拉應(yīng)力，從而在設(shè)計(jì)的切縫線上形成預(yù)裂面[1]，減少懸頂自行回轉(zhuǎn)、垮落時(shí)間，使應(yīng)力提前釋放，阻止采空側(cè)塑性區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大，切斷應(yīng)力在頂板上的傳遞，降低小煤柱沿空掘巷的圍巖應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)既能切斷頂板又能使頂板壓力減弱達(dá)到保護(hù)巷道的目的。沿空掘巷切頂卸壓示意圖見圖1.

圖1 沿空掘巷切頂卸壓示意圖

2 工程應(yīng)用

2.1 工程地質(zhì)條件

大同煤礦集團(tuán)晉華宮煤礦12-2#層301擴(kuò)區(qū)設(shè)計(jì)為單翼布置盤區(qū)，盤區(qū)共布置3個(gè)大采高工作面，12-2#層煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，東部為分叉區(qū)，西部為合并區(qū)。整體呈向斜構(gòu)造，屬侏羅紀(jì)中統(tǒng)大同組含煤地層，煤層走向近北東，傾向北西，煤層傾角 1°～7°，平均4°，煤層厚度5.5～7.5 m，平均6.81 m. 煤層硬度f=3，該區(qū)域無大的含水層發(fā)育，301 擴(kuò)區(qū)上覆及下伏的含水層富水性弱，隔水層極弱，水文地質(zhì)條件簡單。煤層最短自然發(fā)火期為85天，絕對(duì)瓦斯涌出量為0.6 m3/min，頂、底板巖性特征見表1.

表1 頂、底板巖性特征表

301擴(kuò)區(qū)8103工作面設(shè)計(jì)長度為640 m，面長157.5 m，采用一次采全高采煤方法，綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。8103工作面2101巷擔(dān)負(fù)12-2#層8103工作面回采時(shí)運(yùn)輸、行人、進(jìn)風(fēng)等任務(wù)，5103巷擔(dān)負(fù)8103工作面回采時(shí)運(yùn)料、回風(fēng)、行人等任務(wù)。工作面布置見圖2.

圖2 2101、5103巷道平面布置圖

2.2 技術(shù)方案

該礦為保證礦井采掘接替，以往常采用留設(shè)30 m煤柱的方式進(jìn)行沿空掘巷，造成了煤炭資源的浪費(fèi)，為提高礦井回采率，經(jīng)過理論計(jì)算及數(shù)值模擬，提出了在2101巷進(jìn)行爆破預(yù)裂切頂設(shè)計(jì)，在5103巷進(jìn)行恒阻錨索支護(hù)設(shè)計(jì)，留設(shè)6 m寬小煤柱沿空掘巷的支護(hù)體系。

2.2.1爆破預(yù)裂切頂設(shè)計(jì)

1) 切縫深度的確定。

基本頂作為工作面頂板壓力的傳遞巖梁，是切頂卸壓的主要對(duì)象。為減小切頂后巷道懸臂梁的長度，切縫應(yīng)靠實(shí)體煤側(cè)布設(shè)，同時(shí)為使得切縫頂板更容易垮落，切縫采取豎直切縫設(shè)計(jì)。因此預(yù)裂切縫深度(H縫)設(shè)計(jì)公式如下：

式中：

H煤—工作面采高，m，取平均值6.8；

ΔH1—頂板下沉量，mm；

ΔH2—底鼓量，mm；

K—膨脹系數(shù)，取1.3～1.5.

根據(jù)礦井生產(chǎn)實(shí)際，膨脹系數(shù)取1.5，在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，經(jīng)計(jì)算，H縫=13.6 m，設(shè)計(jì)取14 m.

2) 炮孔間距。

根據(jù)斷裂力學(xué)公式，切頂卸壓爆破的炮孔間距近似為：

式中：

f—巖石普氏系數(shù)，取8；

r0—炮孔半徑，m；取0.025；

K—巖石的斷裂韌度，一般取值為10～15，f越大，K的取值越大，該次設(shè)計(jì)取12.

經(jīng)計(jì)算，炮孔間距為600 mm.

3) 炮孔裝藥量。

根據(jù)礦井生產(chǎn)試驗(yàn)，雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為 42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，管長1 500 mm. 聚能爆破采用三級(jí)煤礦乳化炸藥，炸藥規(guī)格為d28 mm×200 mm/卷，每孔18卷，爆破孔口采用炮泥封孔，封孔長度不低于2 500 mm[2-3].

2.2.2恒阻錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

頂板采用恒阻錨索進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。恒阻錨索規(guī)格為d21.8 mm，L=8 000 m，采用3-2-3布置方式，間距分別為1 200 mm及1 700 mm，排距為2 000 mm；恒阻器長500 mm，外徑79 mm.

幫部布設(shè)2列普通錨索，間排距為1 300 mm×2 400 mm. 其中，上列錨索長6 000 mm，距頂板700 mm布設(shè)，與水平夾角為30°，使得錨固端位于頂板之中；下列錨索長4 000 mm，距頂板2 000 mm，垂直巷幫布設(shè)；幫部錨索d17.8 mm. 巷道支護(hù)示意圖見圖3.

3 工程實(shí)踐效果分析

通過對(duì)5103巷圍巖觀察記錄分析可知，頂板離層儀淺基點(diǎn)小于20 mm，深基點(diǎn)無變化；頂板錨索測力計(jì)無變化，護(hù)幫錨索測力計(jì)增阻在10 kg；利用十字布點(diǎn)法觀察可知，頂?shù)装逡平啃∮?.1 m，兩幫收縮量小于0.2 m. 小煤柱掘進(jìn)巷圍巖無較大變化，滿足設(shè)計(jì)要求。

采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)裂的同時(shí)又可以保護(hù)巷道頂板。利用恒阻大變形錨索對(duì)沿空巷道頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，能使巷道圍巖能夠最大限度地發(fā)揮自身承載作用，減少巷道變形。該技術(shù)節(jié)約了人力和支護(hù)的投入，整面減少850萬元巷道維護(hù)費(fèi)用；留設(shè)煤柱由30 m減小至6 m，可多回收原煤12.5萬t，按照煤500元/t計(jì)算，可增加經(jīng)濟(jì)效益6 250萬元。

圖3 巷道支護(hù)示意圖

4 結(jié) 語

通過在大同煤礦集團(tuán)晉華宮煤礦301擴(kuò)區(qū)2101 巷和5103巷試驗(yàn)沿空掘巷小煤柱切頂卸壓支護(hù)技術(shù)，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。由礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，巷道變形量無明顯的變化，確保了沿空巷道頂板的穩(wěn)定，多回收了原煤資源12.5萬t，提高了礦井資源回收率，后期減少了850萬元的巷道維護(hù)費(fèi)用，降低了礦井的噸煤成本。