店坪煤礦切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)應(yīng)用

郭 暉

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033000）

煤炭是我國的主體能源，隨著多年的高強(qiáng)度開采，淺部優(yōu)質(zhì)資源逐漸枯竭，提高煤炭資源回收率，實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)持續(xù)、綠色開采具有重要意義。無煤柱、小煤柱開采[1-3]是實(shí)現(xiàn)煤炭資源綠色開采的一種重要手段，能夠有效提升礦井經(jīng)濟(jì)效益，延長礦井開采年限，已被眾多礦井所采用，但是不同地質(zhì)條件，其技術(shù)工藝又略有不同，需針對性地進(jìn)行研究。本文以店坪煤礦為背景，對切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)進(jìn)行了分析。

1 工程概況

店坪煤礦9-209工作面位于830 m水平二采區(qū)，北為采空區(qū)，南為9-207工作面，東為大巷，西為井田邊界。工作面長214 m，可采長度1220 m。該工作面開采9號煤層，平均煤厚3.0 m，傾角平均3°，埋深在257～429 m。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚6.4 m；基本頂為中砂巖，平均厚7.2 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚7.2 m；基本底為細(xì)砂巖，平均厚3.9 m。9-2092巷為工作面軌道順槽，巷寬5.0 m，巷高3.1 m，留巷后作為9-207工作面皮帶順槽使用。該工作面內(nèi)存在兩個斷層，落差均小于1 m，對工作面回采影響較小。工作面水文地質(zhì)條件為中等，主要受頂板灰?guī)r含水層影響。店坪煤礦為低瓦斯礦井，9-209工作面瓦斯含量低。

2 切頂卸壓方案設(shè)計

2.1 超前補(bǔ)強(qiáng)

切頂卸壓自成巷應(yīng)保證巷道支護(hù)范圍內(nèi)圍巖穩(wěn)定，工作面采空區(qū)頂板順利垮落，因此需對目前巷道頂板及巷幫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。巷內(nèi)頂板補(bǔ)強(qiáng)采用預(yù)應(yīng)力錨索，沿巷道軸線布置三列，一列沿巷道頂板切線布置，距切頂線300 mm，排距為1000 mm，采用W型鋼帶連接；第二列距巷幫1000 mm，排距1000 mm；第三列位于巷道中間，距巷幫2500 mm，排距2000 mm。補(bǔ)強(qiáng)錨索直徑21.8 mm，長14 200 mm，預(yù)緊力不小于280 kN。在頂板補(bǔ)強(qiáng)過程中每隔50 m施工一個探頂鉆孔，巖層發(fā)生變化時及時調(diào)整錨索長度，確保錨固端在穩(wěn)定巖層內(nèi)長度不小于2 m。實(shí)體煤巷幫每排布置兩根補(bǔ)強(qiáng)錨索，排距2000 m，間距1000 mm。上部一根錨索距頂板1200 mm，直徑18.9 mm，長4200 mm，仰角45°；下面一根錨索距底板600 mm，直徑18.9 mm，長6200 mm，垂直巷幫打設(shè)。兩根錨索采用W鋼護(hù)板連接。巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)如圖1。

圖1 3022巷冒漏區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)示意圖

圖1 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面圖

2.2 爆破切頂

（1）鉆孔布置參數(shù)

爆破鉆孔布置需考慮鉆孔開孔位置、間距、施工角度和深度等參數(shù)[4-5]，鉆孔布置如圖2。① 鉆孔開孔位置及間距。為滿足工作面通風(fēng)，同時保證下一工作面運(yùn)輸和通風(fēng)需要，應(yīng)盡可能保證巷道斷面尺寸，故爆破鉆孔開孔位置位于巷道頂板肩角處。爆破鉆孔間距應(yīng)使爆破后形成的裂隙能夠貫通，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，初步確定鉆孔間距為500 mm。② 鉆孔角度。為使采空區(qū)頂板充分垮落，減小其垮落對留巷頂板的影響，結(jié)合鉆機(jī)施工參數(shù)，爆破切縫鉆孔傾向采空區(qū)施工，仰角71°。③ 鉆孔深度。根據(jù)9-209工作面頂板巖性，巖石碎脹系數(shù)取1.4，煤層最大厚度為3.1 m，不考慮底鼓和頂板下沉，計算得到爆破切縫孔深度達(dá)到7.8 m，可使冒落頂板充滿采空區(qū)，對上覆頂板起到支撐作用。考慮鉆孔角度及保留切頂富余量，綜合確定鉆孔施工深度為9 m。

圖2 爆破鉆孔示意圖

（2）爆破參數(shù)

爆破施工后需使鉆孔之間的裂隙貫通，形成一條斷裂面，以利于工作面頂板垮落。因此要結(jié)合頂板巖性強(qiáng)度，布置不同的裝藥方式和結(jié)構(gòu)，充分?jǐn)_動頂板巖體。根據(jù)頂板巖性，在頂板完整處采用裝“6空1”的方式，即裝六個孔空一個孔；頂板破碎段為“4空1”。爆破為聚能爆破，孔內(nèi)安裝聚能管，鉆孔直徑50 mm，藥包直徑35 mm，確定采用外徑42 mm、內(nèi)徑36.5 mm的聚能管，每個孔安裝4根1.5 m和1根1.0 mm的聚能管，封孔長度2.0 mm，單孔裝藥結(jié)構(gòu)為“4-5-3-2-2”，單孔裝藥4.8 kg。

2.3 留巷支護(hù)

順槽巷道爆破切頂后，在工作面采動壓力作用下，后方采空區(qū)頂板垮落，散落矸石充滿采空區(qū)，同時會涌入順槽巷道，影響留巷正常使用。因此，必須對采空側(cè)留巷進(jìn)行支護(hù)，阻擋矸石涌入巷道并形成巷幫。留巷支護(hù)采用“U型鋼+鋼筋網(wǎng)+風(fēng)筒布”的支護(hù)形式。U型鋼打設(shè)位置于切頂鉆孔位置，間距為500 mm。單個U型鋼支腿為兩個U型鋼鏈接，可以伸縮實(shí)現(xiàn)讓壓，減小U型鋼腿變形。鋼筋網(wǎng)支設(shè)在U型鋼里側(cè)，可阻擋矸石涌入。鋼筋網(wǎng)和U型鋼之間鋪設(shè)風(fēng)筒布防止采空區(qū)漏風(fēng)。

2.4 臨時加強(qiáng)支護(hù)

為維護(hù)留巷巷道頂板和圍巖穩(wěn)定，在工作面后方距支架切頂線1～1.5 m架設(shè)門式支架，門式支架與巷道垂直支設(shè)，間距1.2～1.5 m。門式支架采用ZLQ4200/20/39型立柱，頂梁加設(shè)自制墊塊，確保頂梁平直，接頂嚴(yán)實(shí)。門式支架初撐力應(yīng)不小于24 MPa，且不超過45 MPa。門式支架以180 m為一個循環(huán)，180 m后回撤門式支架循環(huán)支設(shè)。遇斷層構(gòu)造、水倉硐室等區(qū)域，需加強(qiáng)支護(hù)，將門式支架架設(shè)間距縮短為0.8～1 m。

3 效果分析

9-2092巷道在留巷過程中布置錨索受力計、巷道圍巖變形十字測點(diǎn)、單體柱活柱下縮量和側(cè)向擋矸壓力表等礦壓觀測設(shè)備，對留巷全過程巷道礦壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行觀測分析。

3.1 錨索受力

通過對工作面前方和采后300 m的補(bǔ)強(qiáng)錨索受力進(jìn)行觀測分析可知，在工作面前方35 m處錨索受力開始增加，進(jìn)入工作面后方錨索受力增幅加大，在工作面后約120 m處錨索受力達(dá)到最大值，約35 t，之后錨索受力趨于平穩(wěn)。

3.2 巷道圍巖變形

自工作面前方50 m開始觀測，巷道圍巖變形逐步增大；在工作面后方30～100 m范圍內(nèi)，巷道圍巖變形速率明顯增大，之后趨于平緩；到工作面后方160 m處，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。

3.3 活柱下縮量

通過觀測可知：在同一斷面內(nèi)靠近采空側(cè)的門式支架立柱下縮量較遠(yuǎn)離采空側(cè)的大，與頂板彎曲特性一致；隨著工作面推進(jìn)，門式支架立柱下縮量逐步增加，在滯后工作面約150 m處趨于穩(wěn)定，與巷道圍巖變形規(guī)律基本一致。

3.4 側(cè)向擋矸壓力

通過觀測，在滯后工作面約30 m處，側(cè)向擋矸壓力達(dá)到最大值，約3.1 MPa；在滯后工作面約130 m處側(cè)向擋矸壓力趨于穩(wěn)定，為1.96 MPa。

4 結(jié)語

（1）通過分析店坪煤礦地質(zhì)資料，確定了切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)方案，對巷道補(bǔ)強(qiáng)參數(shù)、爆破鉆孔布置參數(shù)及留巷擋矸支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了分析。

（2）礦壓觀測表明，爆破切頂卸壓能夠降低工作面老頂回轉(zhuǎn)的作用力，利于留巷圍巖穩(wěn)定，為礦井以后開展無煤柱開采提供了生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。