朱家店煤礦0403-Ⅰ工作面切頂卸壓沿空留巷技術研究

雒艷江

(山西離柳焦煤集團有限公司 朱家店煤礦，山西 呂梁 033400)

1 工程概況

朱家店煤礦0403-Ⅰ綜采工作面主采4號煤層，煤層厚度平均為1.35 m，煤層平均傾角為6～8°，煤層結構簡單，含0～1層夾矸。0403-Ⅰ綜采工作面位于4號煤層第一水平南翼一采區，埋深367～492 m，工作面設計推進長度為366 m，工作面長度為100 m。該工作面北鄰已回采完畢的0401工作面，南鄰0403-Ⅱ工作面，西至0.7 m煤厚可采邊界線，東鄰已回采完畢的0403工作面。0403-Ⅰ進風巷設計為矩形斷面，凈寬5 m，凈高2.5 m，凈斷面積12.5 m2。0403-Ⅰ工作面井下位置如圖1所示。

圖1 工作面位置示意

為緩解礦井采掘接續緊張的局面，釋放礦井產能，提高回采工作面回收率，延長礦井服務年限，在礦井生產接續規劃的基礎上，決定在0403-Ⅰ進風巷實施切頂留巷技術。

2 工作面頂板巖性窺視分析

為探明工作面頂板巖性分布情況，在0403-Ⅰ工作面進風巷留巷段布置2個鉆孔窺視點。1號窺視孔位于超前工作面100 m處，2號窺視孔超前工作面300 m。窺視孔均在巷道頂板中線上垂直施工，1號窺視孔深度為13.374 m，2號窺視孔深度為14.316 m。通過成像儀分析評價軟件對探測結果進行分析處理，得出0403-Ⅰ工作面頂底板巖性特征如表1所示。

表1 0403-Ⅰ工作面頂底板巖性特征

3 切頂留巷設計方案

3.1 頂板定向預裂爆破設計

預裂切頂高度的確定公式如下[1-2]：

H縫=(H煤-S1-S2)/(k-1)

(1)

式中：H縫為切頂高度，m；H煤為工作面采高，m；S1為采場頂板下沉量，m；S2為采場底板底鼓量，m；k為垮落頂板碎脹系數，取值范圍1.1～1.4。

根據0403-Ⅰ工作面頂板的巖性，本設計k取1.2，0403-1工作面煤層厚度平均1.35 m，在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，即S1、S2的值為0 m，工作面采高取1.4 m時，切頂高度H縫設計為7 m。

0403-Ⅰ工作面切縫孔布置在巷道煤柱幫，與巷道中線相距1 950 mm，切縫孔向煤柱側傾斜，與垂線呈15°夾角施工。初步設計每隔500 mm施工1個切縫孔，鉆孔深度7 m，切縫鉆孔具體布置如圖2所示。

圖2 切縫鉆孔布置(mm)

為確定合理的爆破參數，需進行現場爆破試驗。首先通過單孔爆破試驗，對一次裝藥量及封孔長度進行確定，再隔1 000 mm進行雙孔爆破，中間的空孔用來窺視觀察爆破效果，若相鄰炮孔裂紋未貫通，則進行間隔500 mm的雙孔爆破試驗，最終確定出合理的爆破方式及一次起爆孔數。具體爆破試驗方案如圖3所示。

圖3 炮孔參數實驗方案(mm)

經過1個月的預裂作業試驗后，確定出每孔應安設4根聚能管，每根聚能管安設1發雷，管裝藥方式為4+4+3+2正向裝藥，共計13卷炸藥，封泥長度為1.5 m。孔與孔之間采用串聯方式依次起爆。裝藥結構如圖4所示。

圖4 預裂爆破裝藥結構示意

3.2 恒阻大變形錨索支護設計

在切頂留巷過程中，要使恒阻錨索適應頂板變形并起到懸吊作用，其長度需滿足：H縫+2.0 m+外露長度(0.3 m)。結合現場實際條件初步確定恒阻錨索的長度為9.3 m，在具體施工中，根據巖性變化，及時調整支護錨索長度。

0403-Ⅰ工作面進風巷恒阻錨索補強支護密度為1根/m，布設于頂板切縫側，且均垂直于頂板方向布置。同時增設1列現有普通錨索(D18.9-1×7-6 300)，第一列恒阻錨索距切縫鉆孔500 mm(距巷道中線1.45 m)，排距為1 000 mm，鉆孔長度為9 000 mm；第二列普通錨索布置在巷道中線，排距為2 000 mm。

恒阻大變形錨索直徑為21.8 mm，恒阻器長500 mm，直徑為64 mm，恒阻值為290～480 kN，預緊力不小于200 kN。恒阻大變形錨索托盤規格300 mm×300 mm×16 mm，中間擴孔直徑70 mm±1 mm。

3.3 巷道臨時支護設計

根據類似工程經驗[3-4]，切頂留巷需采取不同的措施進行分區支護，根據0403-Ⅰ工作面的實際條件可劃分為3個區域，分別為：工作面前方30 m的超前支護區、工作面后方0～200 m的臨時支護區、滯后工作面200 m以外的成巷穩定區。

1) 超前支護區(超前工作面0～30 m)。該區域受采動影響較大，需提高支護強度。根據現有巷道支護條件，設計采用單體液壓支柱配合型頂梁進行超前支護，單體支柱排距為1 000 mm，π型鋼梁排距為1 000 mm。進風巷采用“一梁三柱”支護形式，支護長度應大于30 m，π型鋼梁需接頂嚴實。巷道支護斷面如圖2所示。

2) 架后臨時支護區(滯后工作面0～200 m)。工作面回采后，頂板巖層回轉下沉產生的動壓對于巷道的穩定性影響較大，因此，在滯后工作面0～200 m范圍內也需加強支護。

根據朱家店煤礦具體要求并結合礦井生產條件，目前架后臨時支護主要采用“一梁四柱”+29U型鋼進行滯后工作面臨時支護。

切頂留巷時采空區內的矸石會躥入巷道，造成安全隱患，為此，設計采用“U型鋼+單體支柱+鋪設鋼筋網”的方式進行聯合擋矸支護，U型鋼支護排距為500 mm。

巷道平均高度按照2.7 m計算，局部在3 m左右，因此，U型鋼下節長度統一設計為1.7 m，上節長度設計3個規格：1.8 m、2 m、2.2 m。一組U型鋼中間搭接長度為0.8～1.0 m，搭接部分用兩個卡纜鎖住，U型鋼之間用連接板連接。U型鋼之間連接設計圖如圖5所示，架后臨時支護護斷面如圖6所示。

圖6 0403-Ⅰ工作面進風巷架后臨時支護圖(mm)

3) 成巷穩定區(滯后工作面200 m以外)。該區域巷道基本不受采動影響，根據礦壓監測結果，當巷道圍巖變形量及錨桿錨索受力無大幅度變化時，可逐步回撤巷內臨時支護的單體支護，保留巷幫進行擋矸支護的單體支柱及U型鋼。為防止采空區漏風，還需對碎石幫側進行復噴礦用堵漏材料處理，累計噴射厚度不低于10 mm。

3.4 應用效果分析

現場實施該方案后，對巷道的切頂效果進行觀測，巷道采空區側的頂板基本隨采隨落，未出現明顯的懸頂現象，垮落矸石基本可以充滿采空區，對上覆巖層起到支撐作用。在滯后工作面200 m后的巷道變形速率較小，基本達到穩定狀態，其頂底板最大移近量為210 mm，兩幫最大移近量為115 mm，滿足工作面正常安全生產需求。

4 結 語

根據朱家店煤礦0403-Ⅰ工作面的工程地質條件，結合切頂卸壓技術原理及工作面頂板巖性窺視分析，確定出合理的切頂深度為7 m，切頂角度為15°。通過現場試驗對裝藥方式及裝藥量等爆破參數進行了確定，并對恒阻大變形錨索支護及巷道臨時支護進行了設計。由現場觀測結果可知，實施該技術后，留巷段頂底板最大移近量為210 mm，兩幫最大移近量為115 mm，取得了良好的應用效果。