切頂卸壓自成巷技術(shù)在薄煤層采面的應(yīng)用

趙熠明

（晉能控股裝備制造集團(tuán)寺河二號井，山西 晉城 048000）

隨著國內(nèi)煤炭行業(yè)開采裝備、開采技術(shù)的不斷發(fā)展，工作面區(qū)段之間沿空留巷技術(shù)進(jìn)展顯著。與沿空掘巷相比，其可有效提高煤炭資源回收率，緩解礦井采掘銜接緊張的不利局面，社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。常規(guī)沿空留巷技術(shù)是通過預(yù)先構(gòu)筑充填體進(jìn)而維護(hù)上一工作面巷道為下一工作面服務(wù)。隨著切頂卸壓無煤柱開采工藝的推廣應(yīng)用，預(yù)先主動對頂板巖層運(yùn)動進(jìn)行控制，及時定向切頂卸壓，營造低應(yīng)力環(huán)境，為巷道穩(wěn)定提供有力支承已成為主要技術(shù)措施[1-6]。寺河二號井9#煤工作面原設(shè)計區(qū)段護(hù)巷煤柱尺寸在20 m 左右。過大的煤柱尺寸不僅造成煤炭資源浪費(fèi)，而且采空區(qū)遺留煤柱形成的應(yīng)力集中現(xiàn)象還增加了下組煤巷道布置和圍巖控制的難度，對15#煤的正常回采產(chǎn)生不利影響。因而進(jìn)行切頂卸壓無煤柱開采對礦井資源的可持續(xù)開采具有重要意義。

1 工作面概況

97307 工作面位于寺河礦二號井九七盤區(qū)，工作面走向長度1 350 m，傾向長180 m，開采的9#煤層厚度0.98～1.87 m，平均厚度1.5 m，煤層傾角2°～8°，平均3°。工作面采用“一面兩巷”的布置方式。9#煤層直接頂為3.9 m 厚粉砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度31.3 MPa； 基本頂為5.3 m 厚細(xì)砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度28.8 MPa； 直接底為1 m 厚石灰?guī)r，單軸抗壓強(qiáng)度41.1 MPa，如圖1 所示。

2 巷道超前補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計

為了保證爆破切頂后巷道圍巖的穩(wěn)定性，綜合考慮支護(hù)成本，采用“恒阻錨索+ 讓壓錨索”耦合支護(hù)方式，提前對巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。恒阻錨索規(guī)格為φ21.8 mm×9 300 mm，距巷幫700 mm，排距1 000 mm，相鄰錨索間通過W 鋼帶連接，增加支護(hù)體整體性，恒阻值35±2 t； 讓壓錨索規(guī)格φ21.8 mm×9 300 mm，配合36 t 雙泡讓壓環(huán)使用，讓壓錨索距巷幫2 200 mm，排距2 000 mm，讓壓值30±2 t；所有錨索均垂直頂板打設(shè)，配合三根Z2360 樹脂錨固劑使用，巷道超前補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)如圖2 所示。

圖2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

3 頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂切縫設(shè)計

3.1 爆破高度

合理的爆破高度是決定切頂卸壓成功的關(guān)鍵，需綜合考慮頂板結(jié)構(gòu)和垮落矸石碎脹系數(shù)兩方面因素。一是工作面頂板結(jié)構(gòu)，由綜合柱狀圖可知，9#煤層覆巖依次為3.9 m 厚粉砂巖、5.3 m 厚細(xì)粒砂巖、0.5 m 厚8#煤層，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，挑頂0.9 m，根據(jù)關(guān)鍵層理論，切頂高度不宜超過H0=3.9+5.3-0.9=8.3 m； 二是保證垮落矸石充滿采空區(qū)，切頂高度按下式計算。

式中：M 為工作面采,1.5 m；Kp 為矸石碎脹系數(shù)，取1.2，計算可知H=7.5 m。

綜上所述，切頂深度暫定為8 m，即可滿足現(xiàn)場切頂施工要求，初步設(shè)計炮孔間距500 mm，爆破鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 爆破鉆孔布置

3.2 裝藥結(jié)構(gòu)

頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂爆破優(yōu)選D 型聚能管，外徑33 mm，單根長度2 m，其現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。炸藥選用二級煤礦許用乳化炸藥。經(jīng)測算D 型聚能管每米裝藥量500 g，每根聚能管裝藥必須注滿，管內(nèi)安裝兩發(fā)雷管且必須正向裝藥。為提高雷管可靠性，每根聚能管內(nèi)兩發(fā)雷管并聯(lián)連線，聚能管之間采用串聯(lián)連線方式；聚能管扣板安裝緊實(shí)，外側(cè)安裝防滑倒刺，倒刺個數(shù)視現(xiàn)場情況而定；每孔安裝三根聚能管，裝藥長度6 m，孔口采用水炮泥封孔，封孔長度2 m，現(xiàn)場務(wù)必填滿搗實(shí)，防止沖孔。

3.3 爆破方式

現(xiàn)場試驗初期采用了不隔孔連續(xù)裝藥、隔一孔兩孔裝藥、隔一孔三孔裝藥、隔一孔四孔裝藥等多種裝藥方式進(jìn)行切頂作業(yè)。根據(jù)爆破后鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育情況，隔一孔四孔裝藥即可滿足爆破切頂需求，孔內(nèi)多處形成貫通裂隙。綜合作業(yè)人員分工、配風(fēng)量等諸多因素，單班一次起爆炮孔不宜超過10 個。

3.4 采空區(qū)堵漏措施

為有效防止采空區(qū)有毒有害氣體逸散至工作面造成不良影響，97214 巷定向預(yù)裂爆破作業(yè)完成后，采空區(qū)側(cè)采用“塑料網(wǎng)+ 鋼筋網(wǎng)+ 風(fēng)筒布+ 混凝土”多種材料，剛?cè)峤Y(jié)合進(jìn)行封堵。拉架前采空區(qū)側(cè)由內(nèi)向外依次安裝塑料網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)、風(fēng)筒布、U型可伸縮支架作為骨架實(shí)現(xiàn)擋矸和堵漏功能；后期通過多次噴漿實(shí)現(xiàn)頂幫交接處、局部漏風(fēng)點(diǎn)的封堵，一次噴漿施工滯后工作面10 m 進(jìn)行，優(yōu)選325 硅酸鹽水泥，配合沙子、石子使用，噴漿厚度100 mm； 二次噴漿施工待留巷巷道礦壓顯現(xiàn)穩(wěn)定后，滯后工作面200 m 進(jìn)行，優(yōu)選高強(qiáng)表固劑進(jìn)行復(fù)噴，加強(qiáng)巷道漏風(fēng)管理，擋矸堵漏支護(hù)如圖4 所示。

圖4 擋矸堵漏

3.5 其他輔助措施

（1）對巷道頂板巖層分布情況進(jìn)行詳查，在97214 巷內(nèi)間隔30～50 m 施工頂板鉆孔，鉆孔深度不小于爆破孔深度，利用窺視設(shè)備對鉆孔內(nèi)巖層裂隙情況進(jìn)行探測，掌握頂板巖層變化情況，對補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計及切頂深度進(jìn)行適時調(diào)整。

（2）采用預(yù)注漿方法對巷道超前支護(hù)區(qū)域頂板及兩幫進(jìn)行預(yù)先加固，選用高性能無機(jī)注漿材料或高強(qiáng)度有機(jī)材料預(yù)先對頂板及兩幫破碎區(qū)域進(jìn)行預(yù)加固，提高錨桿（索）錨固力，確保巷道圍巖完整性。

（3）單班爆破作業(yè)完成后，對爆破效果進(jìn)行窺視驗證，要求爆破孔內(nèi)成縫率在80%以上，如孔內(nèi)裂隙發(fā)育情況不理想，通過調(diào)整爆破孔間距、單孔裝藥量增強(qiáng)爆破效果，確保巷道切頂效果。

4 效果分析

通過對爆破孔進(jìn)行窺視驗證，孔內(nèi)均已形成較為明顯的貫穿裂隙，成縫率基本在82%～90%之間，如圖5 所示。切頂卸壓后，對巷道持續(xù)變形情況進(jìn)行跟蹤觀測，采空區(qū)側(cè)頂板基本實(shí)現(xiàn)隨采隨冒，垮落矸石完全充滿采空區(qū)，滯后工作面200 m 留巷巷道基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由現(xiàn)場觀測記錄分析可知，頂?shù)装遄畲笠平?20 mm，兩幫最大移近量150 mm。

圖5 鉆孔窺視結(jié)果

5 結(jié)語

97307 工作面采用順槽超前補(bǔ)強(qiáng)、聚能爆破卸壓、巷幫堵漏等諸多關(guān)鍵技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)薄煤層工作面無煤柱開采。現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果顯示，滯后工作面200 m 順槽巷道基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装逡平孔畲笾?20 mm，兩幫移近量最大值150 mm，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。