预裂切顶沿空留巷技术的应用研究

2020-12-16郑艳栋

山东煤炭科技 2020年11期

郑艳栋

（大同煤矿集团有限公司安全监管五人小组管理部，山西大同 037003）

为了解决困扰云冈矿资源枯竭、矿井采掘接替困难的问题，提高煤炭资源回收率，延长矿井服务年限，解决上隅角瓦斯积聚问题，保障矿井安全生产，在综合考虑井下地质、生产、设备等实际情况后，研究在81043 工作面采用预裂缝切顶留巷技术。81043 综采工作面长116 m，可采长度约为749 m，埋深373～409 m，煤层的平均厚度为3.72 m，煤层平均倾角为4.2°。81043 综采工作面沿空留巷的顶板为复合顶板结构，直接顶为泥岩，平均厚度为2.7 m，基本顶为细砂岩，平均厚度为1.8 m，直接底为粉砂岩，平均厚度为3.26 m。在对留巷工艺应用研究的基础上，进一步对切顶留巷原理、巷道顶板预裂缝工艺参数设计、爆破药结构设置及置换方案等进行了验证，最终研究出最佳的预裂缝工艺参数和爆破结构参数。根据实际应用表明，该技术方案顶板垮落及时，成巷效果较好，有效减少了工作面间煤柱损失，解决了工作面上隅角瓦斯积聚问题，保障了工作面安全生产。

1 切顶留巷技术方案

切顶留巷综采技术方案是指在采用可靠的加强支护条件下，在井下巷道采空区域的指定位置对顶板的侧面设置一个超前的人工切缝，将巷道顶部的覆岩和采空区侧顶板之间进行隔断，避免两个范围内的应力相互传递，将长距离的悬空顶板转换为短臂梁的结构。当井下综采面完成回采作业后，短臂梁在人工或者顶板来压作用下垮塌，形成了稳固的成巷帮，便完成了无煤柱的切顶留巷综采作业。该技术方案的核心在于对预裂切缝高度、井下爆破参数设计和恒锚阻支护的设计。切顶留巷技术原理如

图1 所示。

图1 煤矿井下切顶成巷结构示意图

2 巷道顶板预裂缝工艺参数设计

煤矿井下巷道顶板的预裂缝高度H 可表示为[1]：

H=（H1-H2-H3）/ （k-1）

式中：H1为综采面高度，取3.1 m；H2为综采面顶板下沉量，取0 m；H3为综采面顶板底鼓量，取0 m；k 为综采面巷道顶板岩层碎胀系数，取1.41。

结合云岗矿81043 综采面的实际情况，可知在设置顶板预裂缝时的高度为7.56 m。

预裂缝在设置时需根据便于顶板受力垮落的原则进行设计，因此在设计预裂缝的夹角时以7.56 m的高度为基础，采用模拟仿真的方案对不同切缝角情况下的垂直应力情况进行分析，结果如图2 所示。

由仿真分析结果可知，当切缝分别为0°和15°时煤层内侧应力集中的位置离煤帮的距离较远，稳定性较好，而切缝为30°的情况下应力集中的位置距离煤帮较近，稳定性较差。通过对切缝为0°和15°情况下的应力集中情况进行分析，当切缝为15°情况下时的应力集中情况比0°情况下的应力集中情况小，具有更高的稳定性，因此该预裂缝的角度设置为15°。

图2 不同切缝角情况下的应力分布情况

3 预裂缝爆破参数设置

在进行预裂缝爆破参数设计时，爆破药对爆破孔的爆破效果会因爆破孔数量、爆破孔距离以及爆破药的装药结构而有所差异[2]。因此为了准确确定云岗矿81043 综采面的爆破工艺参数，首先根据以往井下爆破工作经验将爆破孔的距离设置450 mm，爆破孔的数量设置为6 组。在进行爆破验证时，采用了2+2+1+1 爆破药结构、3+2+1+1 爆破药结构、3+2+2+1 爆破药结构及3+3+2+2 爆破药结构，不同装药结构下的爆破效果如图3 所示。

图3 不同装药结构情况下的爆破效果示意图

由实际爆破结果可知，当采用2+2+1+1 的爆破药结构时，在爆破孔内仅产生了极不明显的爆破裂纹，爆破通透率不足50%，且裂纹仅产生在爆破孔的底部位置；当采用3+2+1+1 的爆破药结构时，在爆破孔内产生了较为明显的爆破裂纹，爆破通透率达到72%，但各个爆破裂纹之间存在明显的段差，无法形成连续的爆破裂纹；当采用3+2+2+1 的爆破药结构时，在爆破孔内产生了较为明显的爆破裂纹，爆破通透率达到82%，各个爆破裂纹之间形成了较高的连续性和对称性，仅在爆破孔管口约300 mm处存在一定的未爆破透现象；当采用3+3+2+2 的爆破药结构时，在爆破孔内产生了极为明显的爆破裂纹，爆破通透率达到了97%，且出现了明显的垮塌现象，对顶板表面形成了较大的破坏，影响留巷效果。因此综合分析后采用3+2+2+1 的爆破药结构时具有最佳的爆破效果。

4 恒锚阻支护

为了提升煤矿井下切顶成巷及回采期间巷道的稳定性，设置了恒锚阻支护结构[3-4]。根据实际验证，在原锚索支护结构基础上进行加强，第一排的支护距离巷道切缝侧0.5 m，支护结构之间的排距设置为1.5 m，第二排和第一排锚索之间的距离设置为1.6 m，排距设置为3 m。根据煤矿井下切顶成巷时的实际环境，恒锚阻的直径为21.7 mm，最大允许变形量为24 mm，恒阻值设为300 kN，预紧力不应小于240 kN。该恒锚阻支护结构如图4 所示。