工作面切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术

2020-07-03秦红强

煤 2020年6期

秦红强

(霍州煤电集团洪洞亿隆煤业有限责任公司，山西临汾 041600)

我国煤炭资源以往的开采绝大部分均采用留设煤柱的方式来对工作面周边巷道进行保护，在这种开采方式下，周边巷道受采动影响较小，围岩稳定性较高，工作人员的人身安全能够得到有效保障[1-2]，但是却存在着煤炭资源浪费严重、煤柱应力集中、采空区易发火等一系列问题，同时对下层煤回采巷道的布置同样提出了较高要求[3]。随着煤矿开采技术的不断发展，工作面沿空留巷被广泛采用，同时切顶卸压的提出更是对无煤柱沿空留巷技术的进一步创新，矿井在生产过程中的施工量大幅减少，资源得到了有效回收[4]。

某矿为了保证矿井采掘衔接，减少巷道掘进工程量，决定对1-101工作面的轨道巷实施沿空留巷，使该留巷继续服务于下一工作面的回采活动。本文基于1-101轨道巷的地质条件，对沿空留巷技术进行探讨。

1 工程概况

1-101回采工作面地表无河流、湖泊等水体，雨季地表径流条件好，盖山厚度365～368 m，煤层埋藏较深，地表水正常情况下无法渗透到井下。该工作面所回采的煤层为1号煤层，工作面沿走向推进，沿倾向布置，其中走向长度1 500 m，倾向长度120 m。所采煤层的平均厚度为2.8 m，采用倾斜长壁综合机械化一次采全高采煤工艺。

1-101工作面轨道巷为矩形巷道，巷道净宽4.5 m，净高2.8 m,采用锚网索联合支护的方式对其进行支护，顶板采用D22 mm×L2 400 mm的左旋螺纹钢高强锚杆，间排距为860 mm×1 000 mm；锚索采用D21.6 mm×L7 300 mm的钢绞线，间排距为1 700 mm×1 000 mm。帮锚杆采用D22 mm×L2 200 mm的左旋螺纹钢高强锚杆，间排距为800 mm×1 000 mm。

2 煤层顶底板性质

详细掌握巷道的地质条件，明确巷道顶底板各岩层的赋存状况以及物理力学属性，对于选取合理的技术措施来对1-101轨道巷进行沿空留巷具有重要意义。因此，在1-101轨道巷顶底板选取合适的位置进行打钻取芯，并将所取岩芯密封后带回实验室对其物理力学参数进行了测试，测试结果如表1所示。

表1 工作面顶底板围岩赋存情况及力学参数

从表1中可以看出，1号煤的伪顶为泥岩，直接顶为中粒砂岩，该岩层为灰黑色，呈薄层状，并夹有两层0.2 m和0.1 m的煤线，老顶则为灰白色的粉砂岩，该岩层较为坚硬，以石英为主，呈厚层状。直接底则为灰黑色的砂质泥岩，夹植物化石碎片，半坚硬。由各岩层的物理力学参数测试结果可知，1号煤层直接顶、直接底以及老顶的强度整体较高，而1号煤层的强度偏低。

另据矿井地质资料知，1-101工作面回采过程中共揭露21条小断层，其中对1-101轨道巷围岩稳定性产生较大影响的断层共有9条，其分布状况如表2所示。

表2 对巷道围岩稳定性影响较大的断层分布状况

断层的存在必然会对原岩应力的分布产生影响，为了掌握工作面以及巷道顶板围岩受断层影响的应力分布情况，在F10断层附近选取合适的位置布置了三个地应力测站，使用水压致裂法对其地应力分布进行了测试，测试结果显示三个测站的最大主应力均为水平应力，分别达到了13.7 MPa、14.6 MPa和14.82 MPa，所对应的侧压系数分别为1.32、1.47和1.51。

3 沿空留巷方案

上述测试结果显示，1-101轨道巷顶板岩层整体较为坚硬，同时在断层影响下工作面顶板上覆岩层受水平应力影响较大，特别是采空区顶板发生回转垮落时，必然会对1-101巷道围岩稳定性造成影响，进而使得该巷顶板应力分布更为复杂。所以在对1-101巷道进行保留时，应及时切断工作面以及采空区上覆岩层的应力向巷道顶板传递的过程，从而使得巷道围岩所处的应力环境相对简单。因此，决定采用切顶卸压沿空留巷对1-101轨道巷进行保留。

由于1-101轨道巷顶板岩层较为坚硬，若对该巷道靠近采空区一侧的顶板切落，使切落的顶板成为巷道的一帮，则该巷帮能够对顶板进行有效的支撑。

3.1 切顶卸压技术特点

该技术措施具有如下特点：

1) 切顶卸压沿空留巷通过定向爆破技术对巷道顶板上覆岩层进行定向切割，进而使得采空区上覆顶板与巷道顶板有效分离，较好地阻止了工作面以及采空区顶板的应力向巷道上方传递，巷道所处的应力环境得到有效改善。

2) 可以有效减少采掘比，提高经济效益。

3) 井下回采的安全性得到大幅提高。

4) 采空区顶板的垮落通过前期的欲裂爆破而显得规则化，有利于巷道的管理。

3.2 切顶卸压技术措施

3.2.1 恒阻锚索加强支护

采用恒阻大变形锚索对1-101轨道巷进行补强支护可以有效保证该巷在欲裂爆破和工作面周期来压时的稳定性，同时减小由断层引起的水平应力对巷道顶板的影响。恒阻大变形锚索共布置3列，具体的布置措施如下：巷道顶板垂直布置三列恒阻锚索，第一列恒阻锚索与原支护方案中的第一排锚索位于同一排，距巷帮右帮400 mm布置一根；第二列恒阻锚索与原支护方案中的第一排锚索间隔一排布置，距巷道右帮1 400 mm布置一根；第三列恒阻锚索与原支护方案中的第一排锚索间隔两排，距巷道断面左侧巷帮1 400 mm布置一根，所用恒阻锚索的型号为D21.8 mm×L8 300 mm，恒阻器长300 mm，外径72 mm，恒阻值约为330 kN，预紧力不小于280 kN。

3.2.2 切缝参数设计

由于岩石具有碎胀性质，通过对位于采空区一侧的巷道顶板进行切缝爆破，使切落后的岩层碎胀接顶，从而对顶板起到一定的支撑作用，有效改善沿空留巷的应力环境。借鉴相关矿井的施工经验，结合本矿实际，将切缝高度设置为5.8 m，切缝角度与垂直方向的夹角为15°，切缝线紧贴巷道右侧，爆破钻孔间距取为500 mm。巷道布置断面示意如图1所示。

图1 巷道布置断面示意(mm)

3.2.3 爆破技术

对钻孔进行欲裂爆破时，每个爆破孔间距为500 mm，孔径为50 mm，每个孔内均安装3根长度为1 500 mm、外径为44 mm、内径为37 mm的聚能管，聚能管内部又装有直径为35 mm、长度为200 mm的乳化炸药，雷管埋设在炸药内并接有引线，采用正向爆破技术。

3.2.4 挡矸支护

采用切缝爆破后采空区靠近1-101轨道巷一侧的顶板会被切落，切落的顶板不可避免地会对巷道顶板进行挤压、摩擦，因此当工作面推过后，需要对工作面后方0～100 m范围内的巷道布置单体液压支柱进行加强支护，同时在靠近采空区一侧的两架单体液压支柱之间铺设钢筋网并布置一根工字钢，防止采空区内的矸石涌入巷道内部。单体液压支柱的布置方式具体为在切缝线旁边共布置3根液压支柱，且3根液压支柱均位于同一排，距切缝线分别为200 mm、900 mm和1 900 mm。排距均为800 mm，滞后临时支护如图2所示。