煤礦井下切頂卸壓無(wú)煤柱綜采工藝技術(shù)研究

賈云峰

（1.甘肅有色冶金技術(shù)學(xué)院， 甘肅 金昌 737100；2.蘭州金川新材料科技股份有限公司， 甘肅 金昌 737100）

傳統(tǒng)的綜采技術(shù)方案中，需要在綜采面留設(shè)大量的煤柱，用于對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，防止出現(xiàn)頂板垮落，造成了極大的煤炭資源的浪費(fèi)，而且對(duì)綜采作業(yè)效率也會(huì)產(chǎn)生較大的影響[1]。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐本文提出了一種新的煤礦井下切頂卸壓無(wú)煤柱綜采工藝技術(shù)，其采用滑移讓位護(hù)幫加波浪式多阻護(hù)幫錨桿支護(hù)方案，能夠有效的控制頂板的結(jié)構(gòu)變形，具有施工工藝簡(jiǎn)單、綜采效率高的優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)對(duì)頂板進(jìn)行超前預(yù)制切縫，控制頂板和采空區(qū)之間的應(yīng)力傳遞途徑，也極大的改善了煤礦井下巷道頂板的穩(wěn)定性，對(duì)提升煤礦井下綜采作業(yè)安全和效率具有十分巨大的意義，具備大范圍推廣的實(shí)際意義。

1 切頂卸壓工藝流程

該煤礦井下巷道的切頂卸壓工藝流程主要包括四個(gè)部分，第一步首先是根據(jù)計(jì)算好的巷道支護(hù)參數(shù)對(duì)煤礦井下巷道頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，在進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)計(jì)算的過(guò)程中應(yīng)充分考慮巷道的地質(zhì)條件和來(lái)壓時(shí)的礦壓波動(dòng)和來(lái)壓周期，如果巷道緊鄰采空區(qū)域或者頂板的巖層穩(wěn)定性較差，需要對(duì)計(jì)算結(jié)果施加一個(gè)安全系數(shù)，一般取1.5。第二步是在回采期間，對(duì)超前綜采面進(jìn)行施工設(shè)置預(yù)爆破孔，爆破后形成預(yù)設(shè)的頂板預(yù)裂切縫，在設(shè)置爆破孔時(shí)通常采用超前爆破的方案，超前距離約為100 m，在進(jìn)行爆破孔設(shè)置時(shí)應(yīng)根據(jù)井下的實(shí)際情況合理的設(shè)置爆破孔的間距，滿(mǎn)足安全、經(jīng)濟(jì)的爆破需求。第三步則是等到井下綜采作業(yè)工作面推進(jìn)到切縫的位置后第一時(shí)間在綜采面的后側(cè)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，確保綜采作業(yè)的安全性，加強(qiáng)支護(hù)采用了臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)的方案，采用螺紋鋼相互鎖扣配合，既能保證快速支護(hù)、快速拆卸的需求，又能保證井下巷道的支護(hù)安全性。第四步則是隨著綜采作業(yè)的進(jìn)行，使采空區(qū)域的巷道頂板不斷的沿著預(yù)裂縫進(jìn)行垮落并不斷壓實(shí)，直到形成穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)后再統(tǒng)一撤除臨時(shí)支護(hù)設(shè)備并將綜采完成的采空區(qū)域進(jìn)行密封隔離，完成留巷作業(yè)，該切頂成巷的基本工藝流程如圖1 所示[2]。

圖1 井下切頂成巷工藝流程圖

2 滑移讓位護(hù)幫支護(hù)結(jié)構(gòu)

由于煤礦井下巷道頂板來(lái)壓時(shí)的壓力較大，傳統(tǒng)的固定式擋護(hù)結(jié)構(gòu)在無(wú)煤柱支撐的環(huán)境下極易出現(xiàn)承壓過(guò)大而導(dǎo)致的變形彎曲現(xiàn)象，如下頁(yè)圖2-1所示，導(dǎo)致巖層出現(xiàn)垮落，影響煤礦井下綜采作業(yè)安全，因此為了適應(yīng)新工況下的支護(hù)要求，提出采用U型鋼井下滑移讓位護(hù)幫支護(hù)，該結(jié)構(gòu)采用了兩節(jié)U型鋼相互疊加的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)卡纜的方式來(lái)控制護(hù)幫在頂板礦壓作用下的滑移力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)護(hù)幫板的抗橫向形變的性能，該U 型護(hù)幫結(jié)構(gòu)還能夠確保支護(hù)構(gòu)件在頂板礦壓作用下的穩(wěn)定性，待垮落區(qū)域穩(wěn)定后對(duì)擋護(hù)體進(jìn)行拆除，實(shí)現(xiàn)支護(hù)構(gòu)件的連續(xù)重復(fù)利用，提高支護(hù)經(jīng)濟(jì)性和安全性，該井下滑移讓位護(hù)幫支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2-2 所示[3]。

圖2 滑移讓位護(hù)幫支護(hù)結(jié)構(gòu)

3 波浪式多阻護(hù)幫錨桿支護(hù)

井下滑移讓位護(hù)幫支護(hù)結(jié)構(gòu)主要是用于在綜采和頂板垮塌過(guò)程中的巷道頂板的不穩(wěn)定性支護(hù)，當(dāng)垮塌部分垮塌完畢且煤幫趨于穩(wěn)定后需要進(jìn)一步的對(duì)煤幫的碎石部分進(jìn)行整體式加強(qiáng)支護(hù)，以滿(mǎn)足巷道碎石幫的整體承壓和抗形變的能力[4]。由于碎石垮落后堆砌起來(lái)形成了近似于塊狀的承重墻體結(jié)構(gòu)，因此可綜合利用井下護(hù)幫可靠支護(hù)理論，對(duì)堆砌的墻體進(jìn)行錨固處理，用于降低堆砌墻體的橫向位移，顯著提升整個(gè)墻體的抗壓和抗倒能力。在對(duì)墻體進(jìn)行錨固處理時(shí)錨桿的結(jié)構(gòu)直接影響支護(hù)的穩(wěn)定性和可靠性，為了適應(yīng)碎石護(hù)幫的結(jié)構(gòu)特性，本文提出了一種新型的波浪式多阻護(hù)幫錨桿結(jié)構(gòu)，其主體是由螺紋鋼的鋼體制成，在鋼體上設(shè)置有多個(gè)凸結(jié)，在對(duì)碎石幫進(jìn)行支護(hù)的過(guò)程中這些均勻分布的凸臺(tái)可以作為一個(gè)受拉的結(jié)構(gòu)，通過(guò)錨桿的拉應(yīng)力來(lái)抵抗碎石幫的側(cè)向應(yīng)力，進(jìn)而確保碎石幫在各種沖擊壓力下的穩(wěn)定性，降低對(duì)擋護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力。

波浪式多阻護(hù)幫錨桿在設(shè)置時(shí)需要和綜采面的施工同時(shí)進(jìn)行，此時(shí)垮落的碎石還沒(méi)有完成壓實(shí)，能夠較容易的進(jìn)行設(shè)置。在綜采作業(yè)的過(guò)程中碎石幫不斷的被擠壓，直到形成一個(gè)完全穩(wěn)固的支護(hù)體結(jié)構(gòu)，碎石通過(guò)和錨桿前端的凸結(jié)的相互作用把錨桿自由端的拉力傳至碎石幫靠近采空區(qū)的一側(cè)，降低了碎石向外垮落時(shí)的應(yīng)力，從而有效地保證了碎石幫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，該波浪式多阻護(hù)幫錨桿結(jié)構(gòu)如圖3 所示[5]。

4 切頂卸壓無(wú)煤柱綜采頂板穩(wěn)定性分析

為了對(duì)該切頂卸壓無(wú)煤柱綜采技術(shù)方案下巷道頂板的變形規(guī)律進(jìn)行研究，分析該煤礦井下切頂卸壓無(wú)煤柱綜采技術(shù)的應(yīng)用效果，本文在井下對(duì)頂板的切縫側(cè)、巷道中間位置和煤柱側(cè)分別進(jìn)行綜采作業(yè)過(guò)程中的頂板變化情況監(jiān)控。監(jiān)控時(shí)采用了高精度位移傳感器，對(duì)綜采作業(yè)過(guò)程中不同位置的頂板下沉情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖4 所示。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，從滯后綜采面約54 m 的位置巷道的頂板出現(xiàn)了明顯的下沉現(xiàn)象，直到巷道頂板壓力波動(dòng)開(kāi)始慢慢穩(wěn)定后巷道頂板仍然有一定的下沉現(xiàn)象。這表明了U 型鋼井下滑移讓位護(hù)幫支護(hù)起到了應(yīng)有的滑移讓位功能，在壓力作用下產(chǎn)生一定的位移量，增強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在綜采面的后側(cè)約141 m的位置巷道頂板波動(dòng)基本消失，表明井下護(hù)幫板圍巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)被充分壓實(shí)，當(dāng)臨時(shí)支護(hù)體撤除后頂板出現(xiàn)了微量的下沉，最終在該切頂卸壓無(wú)煤柱綜采作業(yè)時(shí)頂板的最大下沉量約為256 mm 出現(xiàn)在頂板切縫側(cè)，完全滿(mǎn)足井下綜采作業(yè)安全需求。

圖3 波浪式多阻護(hù)幫錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)有煤柱綜采作業(yè)方案所存在的效率低下、煤炭出采率低，影響煤礦井下綜采作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題，提出了一種新的煤礦井下切頂卸壓無(wú)煤柱綜采作業(yè)方案，其采用滑移讓位護(hù)幫加波浪式多阻護(hù)幫錨桿支護(hù)方案，能夠有效的控制頂板的結(jié)構(gòu)變形，根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證表明：

1）該煤礦井下巷道的切頂卸壓工藝流程主要包括四個(gè)部分，具有工藝流程簡(jiǎn)單、可靠性好、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

2）U 型鋼井下滑移讓位護(hù)幫支護(hù)方案能夠確保支護(hù)構(gòu)件在頂板礦壓作用下的穩(wěn)定性，而且還可以實(shí)現(xiàn)支護(hù)構(gòu)件的連續(xù)重復(fù)利用，提高支護(hù)經(jīng)濟(jì)性。

3）波浪式多阻護(hù)幫錨桿通過(guò)碎石和前端的凸結(jié)的相互作用把錨桿自由端的拉力傳至碎石幫靠近采空區(qū)的一側(cè)，從而有效的保證了碎石幫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4）該切頂卸壓無(wú)煤柱綜采作業(yè)時(shí)頂板的最大下沉量約為256 mm 出現(xiàn)在頂板切縫側(cè)，完全滿(mǎn)足井下綜采作業(yè)安全需求。