祥升煤矿3301 工作面切顶卸压无煤柱开采技术

2021-02-07李月超

山东煤炭科技 2021年1期

李月超

（山西潞阳煤炭投资经营管理有限公司，山西晋中 045400）

1 概况

祥升煤矿3301 综采工作面是3#煤三采区第一个工作面，煤层埋深215～416 m。煤层上覆岩层依次为炭质泥岩、砂泥岩以及中粒砂岩，煤层的底板为泥岩和中粒砂岩。为减轻工作面回采过程中巷道支护的压力，提高煤炭资源回收率，决定在3301皮带顺槽和3301 专用回风巷交界进行切顶卸压、沿空留巷。3301 工作面切顶卸压施工位置如图1。

留巷段切顶卸压施工终点位置即为停采线位置，设计的留巷段长度为842 m。为了使留巷能保持稳定，采用了切顶卸压和补强锚索支护的措施。首先通过爆破技术对预留巷道进行局部切顶，从而减轻巷道周围的应力[1-2]，然后采用补强锚索对巷道进行加固，从而有效地控制巷道的顶板下沉。

图1 3301 工作面切顶卸压施工位置示意图

2 煤层顶板预裂切缝爆破设计

在进行顶板预裂时，采用的是双向聚能爆破技术。该技术通过将一定量的炸药装在可以在两个方向起爆的装置中，起爆时钻孔周围在设定的方向受到拉应力作用，从而使钻孔按照预定的方向产生裂缝。

2.1 切缝深度和角度的选取

切缝深度是根据以往的经验确定的，其与煤层的采高有一定的关系，通常情况下合理的切缝深度H缝应该大于2.5 倍的采高H煤。此外，切缝深度还与钻孔深度、顶板下沉量以及底鼓量有一定的关系，可以表示为[3]：

式中：ΔH1为顶板下沉量，m；ΔH2为底鼓量，m；k 为岩石的碎胀系数，1.3～1.5。

根据3301 工作面顶底板的岩性分布可知，其切顶范围内的泥岩所占比重为70%～80%，砂岩占比约10%～20%。通常情况下泥岩碎胀系数1.4，细粒砂岩碎胀系数1.3。通过泥岩和砂岩的碎胀系数的加权平均，得到切缝区的碎胀系数k=1.38。在考虑底鼓和顶板下沉的情况下，工作面的采高为2.0 m，可以得到切缝深度H缝为5.5 m。为了能更好地达到预期效果，预裂切缝孔深度H缝为6.0 m。

切顶角度是指顶板切缝与铅垂方向的夹角。按照切顶卸压机理，预裂切缝结构面两侧岩块需沿切缝顺利滑落，避免形成铰接岩梁结构以传递上覆岩层压力。根据现场试验可知，在切缝孔与铅垂线的夹角为15°，且钻孔间距为0.5 m 时，切缝的效果最佳。装药量和封孔长度也需要通过现场试验来确定。炮孔试验参数如图2。

图2 炮孔参数试验方案

3301 皮顺和3301 专用回风巷交界处施工切缝预裂爆破孔，钻孔的直径为48 mm，深度为6.0 m，间距为0.5 m，钻孔与垂直方向的角度为15°。在钻孔成型后装入特制聚能管、药卷，采用黄泥封孔后进行爆破作业。通常情况下，使用煤矿三级乳化炸药，直径为Φ32 mm×200 mm/卷，采用炮泥封孔。

2.2 补强锚索设计方案

考虑到爆破切顶和工作面回采时，巷道会承受较大的动载而出现严重的破坏，必须对巷道进行加固，设计采用补强锚索进行加固。为了使补强锚索能发挥对顶板的悬吊作用，补强锚索长度一般设计为H缝+2.3 m。此外，考虑到原有的瓦斯抽采钻孔对巷道的压力也会有影响，补强锚索设计长度8.3 m。

在进行施工时，每米补打2 根锚索对于切缝一侧的顶板变形的控制更加有利。根据以往工程经验，补强锚索垂直于顶板方向布置，共布设2 列，第一列恒阻锚索距留巷正帮500 mm，排距1000 mm，第二列距巷道副帮1400 mm 布置，排距2000 mm。补强锚索取为19 芯的Φ21.6 mm 高强度钢绞线，长度为8300 mm，预紧力不小于25 t，其他参数同普通顶板锚索。补强锚索支护设计如图3。

图3 补强锚索支护设计

2.3 巷道临时支护设计方案

根据工作面前方的支承压力分布规律，可以将工作面前方的巷道划分为3 个区[4]：超前支护区、架后临时支护区和成巷稳定区。超前支护区在工作面前方0～30 m 左右，架后临时支护区在工作面前方30～200 m 的范围，成巷稳定区距离工作面200 m以外。巷道不同位置临时支护如图4。

图4 巷道不同位置临时支护

在超前支护区内的巷道容易受到超前支承压力的影响，需要采用临时支护方式来进行加强支护。结合工作面现有技术条件，可以采用单体液压支柱+“π”型梁的方式进行支护。在支护时，单体液压支柱采用“一梁三柱”方式布置，间距1800 mm，排距1000 mm。由于转载机在移动时会影响到中间一排单体液压支柱，需要对中间单体液压支柱的位置进行适当的调整。

在液压支架后方的临时支护区内的巷道，受到采空区上方岩层垮落的影响，处于不稳定状态，因此，在架后0～200 m 范围内顶板需要加强支护。目前架后临时支护主要采用单体液压支柱配合“π”型梁进行超后支护。

在成巷稳定区的巷道受到采面的影响较小，可以将设置的临时支护的单体液压支柱撤离，只保留可伸缩U 型钢进行挡矸支护。

3 施工顺序

3301 工作面的补强锚索加固以及切顶卸压的施工方案：

（1）对巷道采用补强锚索进行加固。支护的参数由工程类比和数值模拟法来确定，为了增加补强支护的强度，还应该在巷道的走向方向上采用W钢带。

（2）施工顶板卸压爆破孔。爆破孔位于巷道的交叉处，施工时钻孔的深度为6.0 m，钻孔的间距为0.5 m，钻孔与垂直方向的夹角在15°左右。

（3）铺设抽放管。当留巷内瓦斯浓度长期超高时，为了提高沿空留巷内安全，在架后沿空留巷顶板临近采空区铺设抽放管路，并监测抽放管路内瓦斯浓度。

（4）架后挡矸支护。待工作面推过后，及时在工作面支架爆破切缝侧进行挡矸支护。在靠近采空区侧，间距500 mm 安设单体支柱，每两根单体之间铺设钢筋网并布置可伸缩U 型钢，使用木楔将其紧固。

（5）封闭采空区。为防止漏风现象发生，采取在钢筋网与可缩U 型钢内侧铺设风筒布和菱形网，高度取3.0 m，超出部分分别固定到顶底板。风筒布顶板部分通过钢筋与顶板金属网绑紧，并在边角处和接口处喷涂密闭材料进行有效封闭。风筒布搭缝处宽度30 cm，固定后亦进行封闭处理。

4 经济社会效益分析

4.1 技术效益

在采用切顶卸压技术后，可以减少煤炭资源的损失，增加回采工作面的可采储量，提高回采率。3301 工作面采用切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术，可以回收煤柱的宽度为20 m，总共可多回收4.7万t 原煤，延长了矿井服务年限。与普通巷道布置方法相比，采用切顶卸压技术可少掘进巷道842 m。

按全区采掘接续安排，采用切顶卸压技术后，大大减少了连续采煤间隔时间。采用传统技术需要留设煤柱，顶板周期性来压显现明显，下覆近距离煤层应力集中，巷道底鼓等大变形现象，给巷道的维护带来较大困难。在采用切顶卸压沿空留巷无煤柱开采新技术之后，开采过程中的片帮现象基本消除，减少了对巷道维护的工作量。

切顶卸压技术为单巷掘进，支护采用恒阻大变形锚索和单体支柱联合，减小了巷道维护作业时工人的劳动强度，同时还减少了支护材料的搬运量。

4.2 经济效益

按照3301 工作面皮带顺槽留巷长度842 m 核算：常规布置方法需要布置842 m 巷道，人工费85.2 万元，材料费211.8 万元，合计297 万元。切顶留巷布置方法，包括切缝钻机、单体柱费用时（折旧按10%），切顶留巷布置842 m 巷道，人工费67万元，材料费222.5 万元，合计289.5 万元。

常规布置方法巷道成本费为3527 元/m，切顶留巷布置方法巷道成本费2985 元/m，每米可节约资金542 元。