店坪煤礦切頂卸壓沿空留巷關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化研究

梁紅瑞

(山西焦煤霍州煤電集團 店坪煤礦，山西 呂梁 033199)

1 工程概況

霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦9-205運輸巷位于830水平南翼，東與830水平南翼軌道巷相通，西至井田邊界，南為實體煤，北與9-205回風巷相鄰(間隔251 m)，9號煤上部主要可采煤層為5號煤層，工作面上部對應(yīng)5號煤為實體煤。9-205運輸巷設(shè)計全長1 392 m，主要擔負著9-205回采工作面的運輸、回風、行人等任務(wù)，同時留巷為9-203工作面服務(wù)。預(yù)計9-205工作面揭露煤層厚度為2.6～3.2 m，均厚2.9 m.工作面范圍內(nèi)煤層、煤體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，含有2～3層夾矸，多為砂質(zhì)泥巖，厚度為0.2～0.45 m.煤層傾角1～5°，屬于近水平煤層。煤層頂板為砂巖；底板為砂質(zhì)泥巖。根據(jù)現(xiàn)場工況及工作面礦壓特征，9-205工作面地質(zhì)條件良好，為保障9-205運輸巷留巷效果，并為切頂卸壓沿空留巷技術(shù)在該礦的應(yīng)用推廣提供參考，本文以9-205運輸巷留巷為背景，對其支護方案進行優(yōu)化研究。

2 9-205運輸巷永久支護方案

根據(jù)9號煤層柱狀情況、830水平南翼膠帶巷、830水平南翼軌道巷、830水平南翼回風巷及9-207工作面掘進期間頂板情況觀測分析，9號煤層頂板為穩(wěn)定巖層，本工作面正常掘進期間為一般風險。9-205運輸巷支護：頂部采用高強錨網(wǎng)+W鋼護板+錨索、幫部采用錨網(wǎng)，巷道掘進斷面寬×高=5.0 m×3.0 m，具體支護參數(shù)如下：頂板錨桿規(guī)格D22 mm×2 400 mm，200 mm×460 mm×6.0 mm的W鋼護板、150 mm×150 mm×10 mm的沖壓托盤，球形墊圈及減磨墊圈，配套2支MSK2355型錨固劑，間排距為900 mm×1 000 mm.頂板錨索采用D21.8 mm×6 300 mm(1×19股)的鋼絞線，配套使用3支MSK2355樹脂錨固劑。垂直頂板布置，頂板每間隔1 200 mm施工1根，每隔1排布置4根。錨索必須緊跟工作面，并保證錨索錨入穩(wěn)定巖層內(nèi)深度不小于1.5 m，所有錨索必須緊貼巖面，預(yù)緊力不得小于200 kN(27 MPa).兩幫錨桿規(guī)格同頂板，間排距800 mm×1 000 mm.鋪網(wǎng)時，網(wǎng)片要密貼巷壁，鋪設(shè)平整,聯(lián)網(wǎng)時網(wǎng)片搭接,采用專用聯(lián)網(wǎng)扣聯(lián)接，網(wǎng)搭接100 mm，聯(lián)網(wǎng)間距150 mm.錨桿、錨索布置如圖1所示。

圖1 9-205回風巷支護示意(mm)

3 切頂留巷關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)設(shè)計

結(jié)合以往工程實踐及店坪煤礦鄰近礦井切頂卸壓沿空留巷技術(shù)應(yīng)用案例[1-2]，其關(guān)鍵工藝參數(shù)包括爆破切頂參數(shù)、恒阻錨索布置參數(shù)、臨時補強支護參數(shù)，通過理論分析首先進行關(guān)鍵參數(shù)的分析。

3.1 切縫角度

通過聚能爆破預(yù)裂后，各個切縫鉆孔沿巷道軸線方向形成的裂縫導通或接近導通，使巷道頂板巖層形成較為平整的弱面結(jié)構(gòu)，工作面回采后，頂板巖層在自身重力及覆巖壓力作用下垮落，采空區(qū)邊緣附近頂板沿預(yù)裂弱面斷裂垮落，采空區(qū)巖層垮落后在碎脹效應(yīng)的影響下充填采空區(qū)，對沿空巷道頂板起到一定支承作用，其作用原理如圖2所示，因此切縫應(yīng)當具有一定的角度，過小(α<10°)容易在爆破時影響錨索的穩(wěn)定，且不利于頂板的及時垮落；切頂角度不宜過大(α>25°)，否則將導致沿空巷道頂板懸頂距增大，不利于巷道穩(wěn)定。因此確定合理切縫角度為15～20°.

3.2 切頂高度

切頂高度(H切)=切縫深度(H縫)×cosα，要求切頂高度一定大于采空區(qū)垮落高度，垮落帶高度的計算原理為垮落的矸石碎脹后可基本充填采空區(qū)，得到切縫的深度計算公式：

H縫≥H煤/[(k0-1)cosα]

式中:k0為頂板巖層的初始碎脹系數(shù)，通常為1.4～1.8，計算時取1.4；H煤為煤層厚度，取2.9 m，切縫角度α為15°.計算可得H縫≥7.5 m.

由此可知，頂板切縫鉆孔深度不應(yīng)小于7.5 m.結(jié)合9-205工作面頂板巖層巖性及厚度，確定切頂層位為直接頂及基本頂，切縫孔深為8.0 m.采空區(qū)垮落矸石最頂板作用示意如圖2所示。

圖2 采空區(qū)垮落矸石最頂板作用示意

3.3 切縫鉆孔間距

理想的聚能爆破切縫效果應(yīng)是兩個預(yù)裂孔產(chǎn)生的裂隙弱面基本能夠貫通，判斷標準為兩個鉆孔爆破產(chǎn)生的圍巖損傷深度大于孔距：

(1)

式中：d為預(yù)裂鉆孔布置間距；rb為預(yù)裂爆破鉆孔半徑，取24 mm；λ為測壓系數(shù)，取0.3 ；p為原巖應(yīng)力，取11.7 MPa；pb為預(yù)裂爆破對巖壁沖擊波壓力峰值，取2 000 MPa；σt為頂板巖層自身的抗拉強度，取2.4 MPa；D0為頂板巖層的初始損傷系數(shù)，取0.6；δ為爆破應(yīng)力波衰減系數(shù)，取1.8.

將以上參數(shù)代入式(1)可得，d≤961.2 mm.根據(jù)頂板巖層巖性進行預(yù)裂鉆孔布置間距的設(shè)計，對于堅硬頂板孔間距通常為400～500 mm，符合頂板孔間距500～700 mm要求，9-205運輸巷頂板巖層屬于較堅硬的頂板，因此設(shè)計預(yù)裂孔間距為600 mm，符合要求。

4 切頂留巷關(guān)鍵參數(shù)現(xiàn)場實測研究

通過對9-205運輸巷切頂留巷相關(guān)參數(shù)理論分析后，結(jié)合其掘巷階段原有支護，確定采用預(yù)裂爆破+恒阻長錨索+臨時支護切頂留巷工藝，預(yù)裂鉆孔的設(shè)計參數(shù)遵照上文理論研究成果，恒阻長錨索采用10 m鋼絞線，恒阻值為33±2 t，共布置兩列恒阻錨索，第一組恒阻錨索靠近回采側(cè)，距回采幫800 mm，距預(yù)裂鉆孔400 mm，錨索布置排距900 mm；第二組恒阻錨索距回采幫1 600 mm，排距1 800 mm.切頂留巷的相關(guān)參數(shù)在工程實踐階段進一步優(yōu)化設(shè)計。

4.1 爆破參數(shù)確定

頂板預(yù)裂爆破切縫效果對于留巷效果具有重要影響。為確定最優(yōu)的爆破參數(shù)，在現(xiàn)場進行爆破試驗。經(jīng)過現(xiàn)場多組爆破試驗，確定爆破最優(yōu)參數(shù)：藥卷規(guī)格D32 mm×L200 mm，最優(yōu)裝藥結(jié)構(gòu)4+3+2+0，最佳封孔長度2.0 m，每組爆破一次，連爆5孔。結(jié)合現(xiàn)場鉆孔窺視確定裝藥結(jié)構(gòu)及爆破效果如圖3所示。

圖3 最優(yōu)裝藥結(jié)構(gòu)及爆破效果示意

4.2 超前支護及滯后距離優(yōu)化分析

店坪煤礦工作面回采期間兩側(cè)回采巷道原超前支護距離多為60～80 m，9-205運輸巷應(yīng)用切頂卸壓沿空留巷工藝，對頂板實施預(yù)裂爆破切頂后超前支承壓力的影響會減弱，且在安裝恒阻錨索后也會使巷道穩(wěn)定。因此通過研究9-205運輸巷在此條件下巷道超前工作面變化規(guī)律，對其超前支護距離進行優(yōu)化設(shè)計。通過現(xiàn)場實測得到圖4(a)所示結(jié)果，可以看出，工作面超前影響最大距離約為65 m，與工作面距離大于40 m時，巷道頂?shù)装濉蓭鸵平烤∮?0 mm；在與工作面距離小于40 m后，巷道表面變形量開始明顯增大，因此設(shè)計超前支護距離不小于40 m即可。

滯后回采工作面臨時支護的回撤時機同樣非常重要。9-205運輸巷采用單體柱+工字鋼+液壓抬棚支架支護方式，單體柱+工字鋼支護保留，液壓抬棚支架需在巷道圍巖穩(wěn)定后回撤。為確定最佳的回撤距離，將工作面后方巷道每20 m劃分為一個區(qū)段，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果整理得到工作面后方巷道圍巖變形速率如圖4(b)所示。隨著與工作面距離的增大，巷道表面變形速度逐漸減小，在160～240 m階段基本穩(wěn)定，設(shè)計滯后工作面240 m(留巷50 d)時進行液壓抬棚支架的回撤。在240～300 m巷段圍巖變形速率出現(xiàn)輕微的上浮，之后圍巖基本穩(wěn)定，設(shè)計回撤距離合理。

圖4 巷道圍巖變形情況監(jiān)測

5 工程實踐效果評價

滯后回采工作面0～40 m范圍內(nèi)是沿空巷道圍巖變形最為劇烈的巷段，設(shè)計采用單體工字鋼棚+液壓抬棚支架支護，現(xiàn)場實際效果如圖5(a)所示，有效控制了頂板的過度下沉。將上述研究結(jié)果應(yīng)用在店坪煤礦9-205運輸巷，留巷圍巖穩(wěn)定后現(xiàn)場實況如圖5(b)所示，圍巖變形可控，巷道表面整體平面光潔，實現(xiàn)了中厚煤層切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術(shù)的應(yīng)用，留巷效果較好。

圖5 現(xiàn)場實況示意

6 結(jié) 語

文章以切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術(shù)在店坪煤礦9-205運輸巷的應(yīng)用為背景，綜合運用理論計算、礦壓監(jiān)測、現(xiàn)場實驗等方法，對切頂爆破、恒阻錨索補強、臨時支護等關(guān)鍵參數(shù)進行了優(yōu)化研究。理論計算確定切頂鉆孔合理深度為8.0 m，傾角為15°，鉆孔布置間距為600 mm.現(xiàn)場實驗研究確定切縫鉆孔最佳裝藥結(jié)構(gòu)為4+3+2+0，爆破時一次連爆5孔。礦壓監(jiān)測研究確定超前支護距離不小于40 m即可，滯后臨時支護距離240 m.依照上述參數(shù)在9-205運輸巷實施沿空留巷，圍巖變形可控，留巷效果良好。