中厚煤層沿空留巷工藝探索與應(yīng)用

文/趙振偉 王 平 王玉林

沿空留巷技術(shù)目前已成功應(yīng)用于薄煤層開(kāi)采，但在中厚煤層中還存在較多技術(shù)難題。山東能源棗礦集團(tuán)新安煤業(yè)公司為緩解采掘接續(xù)緊張局面，減少萬(wàn)噸掘進(jìn)率，通過(guò)對(duì)堅(jiān)硬頂板采用水力致裂斷頂，實(shí)施中厚煤層沿空留巷開(kāi)采工藝，實(shí)現(xiàn)了礦井安全高效綠色開(kāi)采。

一、沿空留巷工藝實(shí)施背景

目前，沿空留巷主要采用砌筑矸石帶、高水材料充填、支設(shè)密集支柱（木垛）等工藝，由于砌筑矸石墻勞動(dòng)效率低，高水材料充填留巷成本較高，目前普遍采用切頂留巷工藝。切頂留巷主要采用定向預(yù)裂爆破技術(shù)，但定向預(yù)裂爆破技術(shù)專業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)難度大，此外，工作面順槽爆破，安全系數(shù)低、影響工作面生產(chǎn)。為此，新安煤業(yè)公司通過(guò)加大科技投入，與科研院校合作，研究水力預(yù)裂切頂技術(shù)，通過(guò)采用“水力預(yù)裂切頂、超前預(yù)加固、后扶加強(qiáng)棚”施工工藝，成功進(jìn)行了中厚煤層沿空留巷實(shí)踐。

二、水力預(yù)裂沿空留巷實(shí)施方案

1.沿空留巷方案的確立

結(jié)合近期在兗礦集團(tuán)濟(jì)三煤礦、河南能源永煤公司城郊煤礦實(shí)施的切頂卸壓情況，以及中國(guó)礦業(yè)大學(xué)何滿潮院士提出的“切頂卸壓沿空成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)工藝”，并通過(guò)進(jìn)一步分析論證，新安煤業(yè)公司確定了“切頂預(yù)裂、超前預(yù)加固、后扶加強(qiáng)棚”留巷工藝，并選取具有代表性的，基本頂厚度較大的3下209材料巷進(jìn)行中厚煤層水力預(yù)裂沿空留巷試驗(yàn)。

2.沿空留巷實(shí)施方案

3下209工作面煤層平均厚度3.0m，直接頂為平均厚度0.3m的泥巖及基本頂下部約2m的易冒落巖層，基本頂為平均厚度31.2m的堅(jiān)硬難垮落細(xì)、中砂巖，對(duì)在厚度較大的堅(jiān)硬頂板中開(kāi)展中厚煤層沿空留巷具有代表性。

根據(jù)工程類比法，借鑒山東能源棗礦集團(tuán)濱湖煤礦薄煤層沿空留巷成功經(jīng)驗(yàn)，確定預(yù)裂切縫深度為：H縫≥2.6H煤。3下209工作面材料巷煤層為3m，得出H縫為7.8m。考慮到巖層厚度的變化情況，綜合確定H縫為8m。

因3下209工作面基本頂厚度較厚，如果采用爆破切頂，不但打眼和裝藥準(zhǔn)備工序工作量大、瞎炮處理較復(fù)雜、存在緩爆問(wèn)題，而且在走向方向切斷效果差、在厚度方向無(wú)法實(shí)現(xiàn)分層切頂；定向水力預(yù)裂切頂是人為地在巖層中預(yù)先切割出一個(gè)定向裂縫，在較短的時(shí)間內(nèi)注入高壓水，使巖（煤）體沿定向裂縫擴(kuò)展，從而可以實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板的定向分層或切斷，效率和效果將更為顯著。

其留巷原理為：超前回采工作面100m，沿預(yù)留巷道采空區(qū)側(cè)采用定向水力預(yù)裂技術(shù)進(jìn)行超前定向預(yù)裂切頂，將煤層上覆一定范圍內(nèi)的堅(jiān)硬巖層提前致裂，待工作面回采后，在礦山壓力的作用下，沿切頂縫將頂板切落形成巷幫，使其既隔離了采空區(qū)，保證了該回采巷道的完整性，同時(shí)使長(zhǎng)懸臂梁成為短懸臂，降低巷道圍巖應(yīng)力。

工藝流程為：施工預(yù)裂鉆孔（孔深10～15m、間距10m）→高壓水切頂預(yù)裂→超前錨索梁加固支護(hù)→超前段工字鋼梁加強(qiáng)支護(hù)→正常推采工作面→留巷側(cè)架工字鋼棚加強(qiáng)支護(hù)→縫隙帶施工注漿錨桿或噴漿→留巷區(qū)域頂板離層觀測(cè)、幫部移近量觀測(cè)。

3.支護(hù)方案

（1）超前段支護(hù)。

①工作面正常超前段支護(hù)：采用DZ-3.15m單體支柱配合鉸接頂梁加強(qiáng)支護(hù)，每排布置3棵單體，鉸接頂梁規(guī)格HDJB-1000mm。柱距：人行側(cè)為1.5m，電纜道為1m，棚距為1.0m。走向長(zhǎng)度不少于20m。

②施工錨索加強(qiáng)支護(hù)：每排布置3棵φ21.6mm、長(zhǎng)度8m的預(yù)應(yīng)力錨索，錨索梁排距為2.0m，梁上錨索間距為1.8m，錨索梁采用12#工字鋼制作，長(zhǎng)度為4m。錨索梁超前工作面煤壁不小于80m。

每棵錨索使用3支MSCK2350樹(shù)脂錨固劑錨固，錨固力設(shè)計(jì)值為200kN，外露長(zhǎng)度為150～250mm。安裝完畢0.5h后，采用錨索張緊器漲拉至設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值。

(2)端頭支護(hù)。工作面端頭1～3#架，鋪設(shè)雙層金屬菱形網(wǎng)，網(wǎng)壓茬200mm，連網(wǎng)間距100mm，當(dāng)頂板破碎、原網(wǎng)銹蝕嚴(yán)重時(shí)，另增加1層金屬菱形網(wǎng)。

(3)沿空留巷支護(hù)。留巷巷道采用DZ-3.15m單體與鉸接頂梁加強(qiáng)支護(hù)，超前煤壁不低于100m。工作面割煤后，在預(yù)留巷道端頭支架挪移前，對(duì)靠近首架支架尾梁側(cè)的鉸接頂梁兩端頭，再分別增設(shè)兩棵單體液壓支柱，并在側(cè)護(hù)板與單體支柱間懸掛鋼筋網(wǎng)至底板，并與頂板金屬菱形網(wǎng)相聯(lián)，使用8#雙股鐵絲連接，聯(lián)網(wǎng)間距100mm；鋼筋網(wǎng)間采用8#雙股鐵絲連接，聯(lián)網(wǎng)間距100mm。若頂板壓力大時(shí)，每根鉸接頂梁端頭距支架300～400mm位置再補(bǔ)打一棵單體液壓支柱。

當(dāng)頂幫煤體破碎時(shí)，使用半圓或批子結(jié)實(shí)頂、幫，采用鋼帶或螺紋錨桿按照“十棚連鎖”方式進(jìn)行索棚。幫部索棚兩道，上部距棚梁400mm，下部距底板1200mm；頂板距棚兩端頭400mm。為防止采空區(qū)漏風(fēng)，靠近老塘側(cè)幫部鋪設(shè)金屬網(wǎng)及竹笆護(hù)幫，噴射封堵材料。

4.礦壓觀測(cè)

沿空留巷后，在距工作面5m、15m、20m、25m、30m、50m、70m、90m、110m、130m、150m、200m位置，布置12個(gè)監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，安裝在線應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀、頂板離層觀測(cè)儀、巷道位移觀測(cè)儀等礦壓監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)礦壓顯現(xiàn)、巷道變形規(guī)律進(jìn)行分析。

三、巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化效果分析

1.數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)3下207工作面綜合煤層柱狀圖，建立尺寸為長(zhǎng)（x）×寬（y）×高（z）=1200 m×500 m×45m的巷道數(shù)值計(jì)算模型，模型共有單元數(shù)167450個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為181116個(gè)；3煤平均埋深約360m，按照埋深施加均布載荷，巖層的物理力學(xué)參數(shù)，側(cè)壓系數(shù)取0.8，選用大變形模式。

2.支護(hù)效果分析

根據(jù)工作面實(shí)際回采情況，先對(duì)3下207臨近的3下209工作面開(kāi)挖，保留3下209材料巷作為3下207的材料巷，再分別按照優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)模擬，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明，采用優(yōu)化的支護(hù)參數(shù)，巷道僅在幫部和底板出現(xiàn)了較小的塑性區(qū)，巷道頂?shù)装鍛?yīng)力集中，巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量和幫部變形較小，巷道圍巖穩(wěn)定性很好，支護(hù)效果良好。

綜上，由模擬支護(hù)的整體效果進(jìn)一步驗(yàn)證了采用優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)，足以保證巷道圍巖的承載能力和整體的支護(hù)效果。

四、實(shí)施效果分析

根據(jù)3下207工作面實(shí)際地質(zhì)采礦條件，選擇使用“切頂預(yù)裂、超前預(yù)加固、后扶加強(qiáng)棚”留巷工藝。對(duì)超前支護(hù)、端頭加強(qiáng)支護(hù)進(jìn)行支護(hù)方案優(yōu)化，對(duì)留巷段支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提出運(yùn)用一梁三錨、單體與鉸接頂梁復(fù)合支護(hù)及老塘側(cè)幫部鋪設(shè)金屬網(wǎng)及竹笆護(hù)幫。

2019年3月至8月，在3下207工作面推采期間對(duì)3下209材料巷進(jìn)行留巷，累計(jì)留巷720m，通過(guò)頂板離層及兩幫移進(jìn)量觀測(cè)分析，頂板下沉量及兩幫移進(jìn)量均在10～30mm左右，符合設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)裝備折合延米消耗，并結(jié)合勞動(dòng)組織情況進(jìn)行分析，沿空留巷延米費(fèi)用5312元，新掘巷道延米費(fèi)用為5400元，延米材料及人工費(fèi)用減少88元，沿空留巷720m共減少材料及人工費(fèi)用6.34萬(wàn)元；同時(shí)回收煤柱使工作面儲(chǔ)量增加7488噸，增加經(jīng)濟(jì)效益192.4萬(wàn)元。本工作面共可增效198.74萬(wàn)元。

依據(jù)工作實(shí)踐，總結(jié)出下一步留巷的關(guān)鍵在于以下兩點(diǎn)。一是要將所留巷道頂板與采空區(qū)頂板分離，使之減少應(yīng)力集中影響。同時(shí)必須針對(duì)一定高度范圍內(nèi)的基本頂，通過(guò)水力致裂方式將堅(jiān)硬頂板切斷卸壓，形成短懸臂和低應(yīng)力區(qū)。二是要實(shí)現(xiàn)留巷與回采的和諧推進(jìn)，即通過(guò)超前對(duì)所留巷道采用錨網(wǎng)索（梯）超前支護(hù)、超前加固，回采期間采后區(qū)域采用復(fù)加強(qiáng)棚支設(shè)單體的方式，防止所留巷道頂部巖梁與上部巖層離層，最終實(shí)現(xiàn)留巷與生產(chǎn)互不影響。