煤礦井下切頂卸壓無煤柱綜采技術(shù)的應(yīng)用研究

趙建軍

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

0 引言

山西寧武大運化盛老窯溝煤業(yè)12101 綜采面的斜長為210 m，沿空留巷的長度為1 420 m，煤層厚度在2.7～3.9 m 之間，平均煤層厚度是3.2 m。煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對簡單，但煤層的埋深較大，平均埋深約為847 m，煤層的平均傾斜角度為3.2°，12101 綜采面煤層的直接頂是細(xì)砂巖，平均厚度是2.97 m，煤層的基本頂是由泥巖和細(xì)砂巖組成，平均厚度為8.17 m。目前12101 綜采面在開采過程中主要采用了巷旁充填沿空留巷技術(shù)，但其采用了充填支護(hù)留巷方式，因此導(dǎo)致綜采面煤體上方應(yīng)力集中大、巷道變形嚴(yán)重，極大的影響了井下綜采作業(yè)效率和安全性。

結(jié)合現(xiàn)有綜采技術(shù)方案的不足，項目組提出了一種新的切頂卸壓無煤柱綜采技術(shù)，以FLAC3D 數(shù)值模擬分析軟件為基礎(chǔ)，對切頂高度、切頂角度設(shè)置進(jìn)行了分析，確定了最佳參數(shù)，同時對井下巷道支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，提高了支護(hù)效率和穩(wěn)定性。根據(jù)實際應(yīng)用表明，新的無煤柱綜采技術(shù)能夠?qū)⒕孪锏理敯遄冃瘟拷档?2.1%，兩幫變形量降低58.8%，綜采作業(yè)速度提升了40.5%，對提升井下綜采作業(yè)效率和安全性具有十分重要的意義。

1 切頂卸壓無煤柱綜采技術(shù)

切頂預(yù)裂參數(shù)直接影響到沿空留巷定向爆破效果，其切頂卸壓沿空留巷切頂預(yù)裂關(guān)鍵參數(shù)主要包括了切頂?shù)母叨取⑶锌p的角度、預(yù)裂爆破孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和爆破藥裝藥參數(shù)等。在傳統(tǒng)方案下，對以上參數(shù)的設(shè)計主要是依靠人工經(jīng)驗進(jìn)行，但存在著可靠性差、安全性不足的問題，因此項目組引入了科學(xué)的FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件[1]，根據(jù)12101 綜采面的地形結(jié)構(gòu)，建立了仿真分析模型，對預(yù)裂參數(shù)進(jìn)行研究。

1.1 切頂高度參數(shù)設(shè)計

切頂高度是指在進(jìn)行預(yù)裂爆破后從頂板平面到切縫向上發(fā)育的最大垂直距離，根據(jù)井下長期工作經(jīng)驗，分布模擬切頂高度為5、7、9 m 情況下對圍巖應(yīng)力和位移分布情況的影響，仿真結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同切頂高度情況下的應(yīng)力分布示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)切頂高度為5、7、9 m 的情況下實體煤幫內(nèi)部的應(yīng)力集中分別為43.7、40.2、39.5 MPa，表明切頂高度越大，煤幫內(nèi)的應(yīng)力集中就越小。當(dāng)切頂高度超過7 m 后應(yīng)力集中的變化隨高度的增加逐步降低，而切頂高度越大施工難度和爆破裝藥量就要越大，爆破安全性將降低，因此綜合考慮后，切頂高度選擇為7 m。

1.2 切縫的角度參數(shù)設(shè)計

巷道頂板的切縫角度將會直接影響到頂板垮落和頂板穩(wěn)定性，而且當(dāng)切縫角度向采空區(qū)偏轉(zhuǎn)時候更有利于減小對巷道頂板穩(wěn)定性的影響[2]。根據(jù)前期采掘經(jīng)驗，分布模擬切頂角度為5°、10°、20°情況下的圍巖應(yīng)力分布情況，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同切縫角情況下的應(yīng)力分布示意圖

由實際分析結(jié)果可知，當(dāng)切縫角為5°、10°、20°的情況下實體煤幫內(nèi)部的應(yīng)力集中分別為40.2、40.9、44.3 MPa，隨著切縫角的增加而逐步增大。而且當(dāng)切縫角超過10°的情況下，實體煤幫內(nèi)部的應(yīng)力值迅速增加，應(yīng)力值越大越不利于巷道頂板的穩(wěn)定性。因此綜合分析后，最佳切縫角設(shè)置為10°。

1.3 爆破孔設(shè)計及裝藥結(jié)構(gòu)

爆破孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)直接決定了井下預(yù)裂切縫的效果，不同區(qū)域的地質(zhì)情況不同，因此炮孔直徑、炮孔深度、裝藥結(jié)構(gòu)等會有不同。在進(jìn)行爆破孔及裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要根據(jù)井下工程試驗來確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)[3]。

爆破孔及裝藥結(jié)構(gòu)方案制定時，首先根據(jù)前期頂板窺視結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆破孔的單孔試驗，確定最有效的裝藥量和爆破孔結(jié)構(gòu)，然后通過連孔試驗來確定最佳孔間距，最后再通過單次起爆數(shù)量試驗來確定異常最佳的起爆孔數(shù)量。按此流程，確定了12101 綜采面爆破孔深度為8 m，封泥段長度為2 m，相鄰兩個爆破孔的孔間距為700 mm，爆破孔的內(nèi)徑為42 mm。

在進(jìn)行實爆驗證后，采用CXK6 型成像儀[4]對爆破鉆孔進(jìn)行探測，各個爆破孔內(nèi)的平均裂縫率達(dá)到了91.4%，表明了該爆破方案的有效性，爆破后的鉆孔成像結(jié)果如圖3 所示。

圖3 爆破孔內(nèi)裂縫實物圖

2 切頂卸壓留巷支護(hù)

為了滿足切頂卸壓無煤柱巷道穩(wěn)定性需求，結(jié)合12101 綜采面的實際情況，在井下采用了新的綜合支護(hù)方案，具體如下。

2.1 巷旁支護(hù)方案

為了避免周期性來壓時巷道頂板垮落，導(dǎo)致巖石沖入到巷道內(nèi)，在巷旁采用了可縮性29U 型鋼+鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方案[5]，型鋼的設(shè)置間距為0.5 m，其布置時應(yīng)設(shè)置為一條直線，鋼筋網(wǎng)和型鋼需要用鋼絲捆扎在一起保證結(jié)構(gòu)強度。鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為1 m×2 m，同時為了避免落石的影響，在鋼筋網(wǎng)和采空區(qū)的矸石之間還設(shè)置了一個菱形網(wǎng)，菱形網(wǎng)之間的搭接長度不低于400 mm，避免影響支護(hù)穩(wěn)定性。巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4 所示[6]。

圖4 巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 巷內(nèi)支護(hù)方案

為了提高頂板垮落期間巷道的穩(wěn)定性，在端頭支架后側(cè)250m內(nèi)采用了“液壓抬棚+π 型梁+單體支柱”聯(lián)合支護(hù)模式[7]。液壓抬棚的整體長度為4 000 mm，工作時的阻力為3 500 kN，采用了連續(xù)布置結(jié)構(gòu)，在抬棚的頂部設(shè)置了保護(hù)墊，避免損傷頂板。π 型梁整體長度為3 800 mm，布置時垂直于巷道的走向，采用了一梁兩柱的布置結(jié)構(gòu)，π 型梁的距離為600 mm，在頂板破碎度大的地方可以采用加密支護(hù)的模式。

3 井下應(yīng)用情況

目前該切頂卸壓無煤柱綜采技術(shù)已經(jīng)在山西寧武大運化盛老窯溝煤業(yè)12101 綜采面投入了應(yīng)用，對應(yīng)用以來巷道頂板和煤幫的下沉量進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果繪制為變形量變化曲線，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 頂板下沉量變化曲線

由圖5 可知，采用新的無煤柱綜采技術(shù)方案后，巷道頂板的最大下沉量為259 mm，比優(yōu)化前的447.5 mm降低了42.1%，巷道煤幫的下沉量約為151 mm，比優(yōu)化前的366.2 mm 降低了58.8%。顯著的提升了巷道在綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。

由于采用了新的綜采技術(shù)模式，使井下的綜采作業(yè)效率由最初的4.2 m/天提升到了目前的5.9 m/d，效率提升了40.5%，極大的提升了井下綜采作業(yè)的效率和經(jīng)濟(jì)性，目前已經(jīng)得到了推廣。

4 結(jié)論

為了解決山西寧武大運化盛老窯溝煤業(yè)12101綜采面煤體上方應(yīng)力集中大、巷道變形嚴(yán)重的問題，提出了一套新的切頂卸壓無煤柱綜采技術(shù)。以FLAC3D 數(shù)值模擬分析軟件為基礎(chǔ)，對切頂高度、切頂角度設(shè)置進(jìn)行了分析，確定了最佳參數(shù)，根據(jù)在井下的實際應(yīng)用表明：

1）FLAC3D 數(shù)值模擬分析軟件能夠比較精確的模擬井下巷道應(yīng)力變化狀態(tài)，為科學(xué)、合理、快速、精確的確認(rèn)井下綜采參數(shù)奠定了基礎(chǔ)。

2）切頂高度選擇為7 m、切縫角度為10°、爆破孔的孔間距為700 mm 情況下具有最佳的切頂預(yù)裂爆破效果。

3）新的無煤柱綜采技術(shù)能夠?qū)⒕孪锏理敯遄冃瘟拷档?2.1%，兩幫變形量降低58.8%，綜采作業(yè)速度提升了40.5%，極大的提升了老窯溝煤業(yè)井下綜采效率和安全性。