綜采工作面切頂卸壓自成巷技術(shù)應(yīng)用探索

張衛(wèi)鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部晉圣億欣煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200）

隨著礦井回采工作面生產(chǎn)效率的不斷提高，造成工作面正常的生產(chǎn)接替愈發(fā)緊張。此外，傳統(tǒng)長(zhǎng)壁工作面需要留設(shè)煤柱的布置方式造成大量煤炭資源的損失與浪費(fèi)［1-4］。近年來，越來越多的礦井嘗試采用110 工法，其核心為通過切頂卸壓自成巷技術(shù)保留上一工作面的一條巷道以備下一工作面使用；這樣，單個(gè)工作面僅需開掘一條巷道，這在很大程度上緩解了礦井生產(chǎn)接替緊張的問題，同時(shí)降低了巷道的掘進(jìn)工作量，對(duì)提升煤炭回采率亦具有重要意義［5-6］。本文以億欣煤業(yè)XV2303運(yùn)輸巷道為研究背景，介紹了該技術(shù)的主要原理，設(shè)計(jì)了巷道的預(yù)裂爆破切縫的主要爆破參數(shù)及巷道的支護(hù)方式，實(shí)現(xiàn)了工作面運(yùn)輸巷道切頂卸壓自動(dòng)成巷。

1 工程背景

億欣煤業(yè)XV2303 綜采工作面位于15#煤二盤區(qū)，工作面走向長(zhǎng)1101 m，傾斜長(zhǎng)200 m，煤層底板標(biāo)高+834～+924 m，對(duì)應(yīng)地表標(biāo)高為+1 195～+1 270 m。15#煤層在XV2303 工作面范圍內(nèi)厚度在2.6～3.4 m 范圍內(nèi)，平均厚3.1 m，傾角在3°～12°范圍內(nèi)，平均5°，工作面設(shè)計(jì)采高3.1 m，采用綜合機(jī)械化后退式采煤法，頂板管理為全部垮落法。工作面頂?shù)装逄卣饕姳?。XV2303 工作面直接頂為石灰?guī)r，單向抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度分別為67.8 MPa和5.1 MPa；老頂為砂質(zhì)泥巖，單向抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度分別為80.9 MPa和3.2 MPa；直接底為炭質(zhì)泥巖，單向抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度分別為30.0 MPa和1.6 MPa；老底為泥巖，單向抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度分別為22.7 MPa和0.8 MPa。XV2303 運(yùn)輸巷寬5 400 mm，高2 600 mm，留巷段長(zhǎng)865 m，留巷后將用于XV2304 工作面回風(fēng)及輔助運(yùn)輸。

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

圖1 XV2303 工作面布置

2 基本原理

2.1 技術(shù)原理

采用定向爆破技術(shù)在巷道頂板形成預(yù)裂切縫，并通過礦山壓力切落巷道上方頂板，進(jìn)而切斷部分頂板壓力的傳遞。采空區(qū)側(cè)垮落矸石可以起到支承基本頂巖塊的作用，從而控制巷道上方基本頂破斷巖塊的回轉(zhuǎn)變形，維持破斷巖塊的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的卸壓和自動(dòng)成巷。同時(shí)，使用單體液壓支柱對(duì)保留巷道進(jìn)行支護(hù)，并配合使用礦用工字鋼在巷道臨空側(cè)對(duì)垮落下來的頂板矸石進(jìn)行隔擋。待到覆巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，回撤支柱并在巷幫噴射混凝土作為鄰近工作面的回采巷道。使用該技術(shù)可以降低傳統(tǒng)開采方式中巷道支護(hù)困難、煤炭資源大量損失、礦井生產(chǎn)接替緊張等問題。

2.2 施工工序

首先，在留巷巷道打設(shè)恒阻大變形錨索以對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)及加固。其次，工作面回采前在留巷巷道頂板施工定向爆破炮孔，并通過預(yù)裂爆破形成切縫；工作面回采后使用單體支護(hù)對(duì)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)利用礦山壓力切落巷道上方基本頂巖塊以減少巷道圍巖受力。最后，對(duì)垮落不充分區(qū)域進(jìn)行充填，并對(duì)巷道表面噴射混凝土，然后撤出單體液壓支柱。

3 切頂卸壓自動(dòng)成巷設(shè)計(jì)

3.1 巷道加固設(shè)計(jì)

為維持巷道切頂階段和來壓期間巷道圍巖的穩(wěn)定性，需要在工作面回采前在留巷段巷道頂板打設(shè)錨索以達(dá)到支護(hù)及加固巷道的目的。根據(jù)鄰近工作面施工經(jīng)驗(yàn)，選用直徑21.8 mm，長(zhǎng)8 300 mm恒阻大變形錨索，恒阻器長(zhǎng)300 mm，直徑55±4 mm，阻值40±3 t，錨索預(yù)緊力為30 t，錨索托盤尺寸為350 mm×350 mm×10 mm，錨索外露長(zhǎng)度為250 mm，間排距為2 000 mm×3 000 mm，見圖2。

圖2 切頂卸壓自動(dòng)成巷設(shè)計(jì)(單位/mm)

3.2 頂板預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)

沿巷道鄰空側(cè)施工預(yù)裂爆破孔，切縫深度為7 500 mm；炮孔軸線與垂直方向呈25°夾角，距上幫150 mm，選用外徑44 mm、內(nèi)徑39 mm、長(zhǎng)度1 600 mm 的聚能管；選用礦用乳化炸藥，使用水炮泥封堵炮孔，炮孔間距為500 mm。裝藥時(shí)從聚能管開始進(jìn)行裝藥，采用雷管起爆，并通過引線將所有聚能管依次連接直至所有炮孔均完成裝藥，并將每5～8 個(gè)炮孔編為一組進(jìn)行串聯(lián)起爆。

3.3 擋矸設(shè)計(jì)

在與XV2303 工作面液壓支架距離0～30 m范圍內(nèi)，在距離工作面幫側(cè)1.0 m 處布置一列DW28-280/120 型單體支柱，排距為2.0 m，在巷道中線及與巷道中線距離1.25 m 的煤柱幫側(cè)布置一列單體支柱，排距為2.0 m。工作面回采后，在距工作面支架距離大于 80 m 處撤去單體支柱，使用礦用工字鋼支護(hù)頂板，并在工字鋼上掛設(shè)直徑5 mm 高強(qiáng)焊接鋼筋網(wǎng) （規(guī)格為40 mm×40 mm）進(jìn)行擋矸。待采空區(qū)側(cè)頂板垮落穩(wěn)定后，對(duì)垮落不充分處進(jìn)行部分填充，并撤去單體液壓支柱，并對(duì)巷道整形、噴漿以滿足要求，留待下一工作面使用。

4 試驗(yàn)工作面留巷效果

在留巷段每隔40 m 布置1 臺(tái)YHU200 型位移計(jì)對(duì)巷道頂板位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每隔60 m 布置1臺(tái)DWG-5LBY-3 型頂板離層儀對(duì)巷道頂板離層情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每隔40 m 布置1 臺(tái)MS-30 型錨桿/索測(cè)力計(jì)對(duì)錨索受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在巷道鄰空側(cè)每隔10 個(gè)支柱布置一臺(tái)KJ385-G型礦用壓力傳感器監(jiān)測(cè)支柱壓力。

留巷段頂板下沉量為20～50 mm，工作面液壓支架后方30 m 范圍內(nèi)單體支柱壓力平均為8 120 kN，并在與支架距離大于30 m 時(shí)開始減小，錨索阻力值在回采工作面后方200 m 以外基本穩(wěn)定。采空區(qū)頂板基本沿預(yù)裂爆破形成的切頂線垮落，且垮落充填采空區(qū)程度較好。從留巷段頂板下沉量、單體支柱壓力及頂板錨索受力情況來看，留巷段巷道頂板變形處于可控范圍，巷道圍巖較為穩(wěn)定，巷道整體成形較好，能夠滿足下一工作面的使用要求。

5 結(jié)語

通過使用切頂卸壓自成巷技術(shù)，XV2303 工作面完成了對(duì)留巷段巷道的保留。留巷段頂板下沉量為20～50 mm，工作面液壓支架后方30 m 范圍內(nèi)單體支柱壓力平均為8 120 kN，低于額定值，并在與支架距離大于30 m 處開始減小，錨索阻力值在回采工作面后方200 m 以外基本穩(wěn)定。采空區(qū)頂板垮落程度較好，基本沿切頂線位置垮落，巷道圍巖較穩(wěn)定，能夠滿足下一工作面的使用要求。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，XV2303 工作面保留巷道865 m，減少巷道掘進(jìn)量12 144 m3，節(jié)約煤炭資源約0.047 Mt，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約8 000 萬元。切頂卸壓自成巷技術(shù)對(duì)于增加礦井服務(wù)年限、節(jié)約開采成本具有重要意義。