沿空留巷切顶技术研究与应用

糜瑞杰,辛青峰,李 尧,成升升,付正鹏,秦 煜

(1.山西焦煤汾西矿业东瑞煤业有限公司,山西 临汾 042404;2.中国移动通信集团山西有限公司临汾分公司,山西 临汾 041000)

沿空留巷切顶卸压是通过在留巷巷道的顶板进行定向切缝,切断待留巷巷道顶板与回采后的顶板部分的压力传递,从而利用回采侧顶板部分岩体,实现自动成巷和无煤柱开采,实现了长壁开采110工法,即回采一个工作面只需要掘进一个顺槽巷道,另一个顺槽巷道自动形成,成功实现了采区间无煤柱开采。

沿空留巷切顶卸压由于能够在采区间不留设煤柱而成为当前国内外煤矿开采研究的热点,且在山西等产煤大省实现了工程应用[1-2]。而切顶卸压技术决定了沿空留巷的留巷效果,王传绳[3]对切顶卸压技术在薄及中厚煤层沿空留巷中的应用进行了研究,证实了沿空留巷技术的可行性。何满潮等[4-5]对切顶卸压沿空留巷的理论、围岩结构控制及其工程应用进行了研究。目前针对沿空留巷切顶卸压技术的研究大多集中在聚能切缝爆破技术[6-8],对于水力压裂弱化切顶技术、密集钻孔弱化顶板研究还比较少,缺乏对切顶卸压技术的对比和应用研究。因此，本文通过对沿空留巷常见的3种切顶卸压技术进行整体的理论分析和评价,对比东瑞煤业2101辅运顺槽运用这3种切顶卸压技术的应用效果,从切顶效果、施工速度以及对围岩的影响程度对这3种切顶卸压技术进行了探讨。

1 三种切顶技术对比

1.1 聚能切缝爆破技术

沿空留巷切顶最常用的方法是聚能切缝爆破技术,即通过对 PVC 管打孔或切槽加工成聚能管装置,将炸药装入此聚能管中,可达到理想的预制裂缝和切顶的效果。通过聚能管和炸药的结合使用,可实现炸药爆炸能量沿聚能管导向方向的定向传递,进而实现顶板岩体沿切缝方向定向破裂[4]。其原理如图1所示。该技术具有以下优点:

1)切顶效果。利用岩体耐压怕拉的特性,使岩石按设定方向断裂,该过程所产生的爆轰压力大,可产生良好的致裂效果。图2为应用效果示意图,切顶缝通透率高、线形笔直、断面平整。

2)施工速度。聚能切缝爆破技术可超前工作面作业,施工速度相对较快。

3)保护巷道。聚能管切槽部分释放的能量是非切槽部分的14倍,爆破裂隙沿指定方向扩展,不会影响巷道顶板,保证了顶板完整性。

4)材料消耗。切顶爆破所需要的材料费用低,工人劳动强度小,操作简单。

技术缺点为:爆破施工时需要所有人员撤离,不能与采煤平行作业,因此爆破施工一般在检修班进行；炸药、雷管等爆破材料具有一定危险性，必须严格管制。

图1 双向聚能张拉爆破作用原理示意图Fig.1 Principle of bilateral energy-cumulative tensile blasting

图2 聚能爆破切缝效果Fig.2 Slotting effect of the energy-cumulative blasting

1.2 水力压裂弱化切顶技术

通过水压致裂弱化岩体的整体强度是采用水压致裂技术处理坚硬顶板的关键[9]。水压致裂对岩体的弱化主要体现在两方面:一是通过水压裂缝的起裂和扩展,改造岩体的宏、微观结构,弱化岩体的力学性能;二是通过水对岩石的物理化学作用,降低岩石的力学性能。二者共同作用弱化岩体的力学性能,降低顶板岩石的整体强度,使顶板及时垮落,减小顶板来压强度,防止顶板突然垮落而导致的冲击地压、暴风等危害。水力压裂形成的裂缝扩展形态如图3所示。

(a)典型水压裂缝形态

(b)水压裂缝空间转向形态图3 岩石水压致裂的裂缝扩展形态Fig.3 Fracture propagation pattern caused by hydraulic fracturing

技术优点包括:水力压裂施工过程中动力扰动小,安全性高；作业环境好,基本无危害,适用范围广；水力压裂单孔控制范围大,工程量小；能够根据需要实现远距离深孔致裂,控制距离大。

技术缺点包括:一是相比聚能切缝爆破技术,裂

缝成型质量较差,由于水压压力远小于爆轰压力,在钻孔远处的致裂效果远不如聚能爆破。图4为水力压裂的应用效果图,可以看出有切缝弯曲、通透率低等缺点,切缝效果较差。二是水压致裂施工过程中需要逐段施工,耗费时间长、工序繁琐，且靠近巷道处需预留较长的封堵段无法致裂,影响施工进度及工程质量。三是因为水具有弱化岩石强度的作用,且水压作用下围岩松动圈内原有裂隙会积蓄扩展,若水压致裂的位置位于顶板较近处,会破坏围岩完整性,支护难度大大增加。

图4 水力压裂效果图Fig.4 Hydraulic fracturing effect

1.3 密集钻孔弱化顶板技术

当卸压钻孔足够密集,钻孔开挖形成的破裂区、塑性区将互相叠加,叠加区域力学性能弱于非叠加区域,极大程度上加强了切缝方向的破坏作用,大大降低了切缝区域卸压钻孔产生非定向裂缝的可能性。同时,在切缝方向初始定向裂纹形成之后,卸压钻孔孔壁周围介质内形成应力松弛区,也在一定程度上抑制了其他方向上裂纹的形成[10]。其原理如图5所示。

图5 钻孔卸压区叠加示意图Fig.5 Superposition of borehole pressure relieving zones

技术优点为:密集孔施工通过钻孔形成破碎区进行切顶,不需要通过额外加压进行切顶,可有效减少对周围岩体的扰动；施工设备简单,仅需要一台钻孔机,便于运输。技术缺点为:密集孔施工并未完全将顶板切开,所形成的切缝线为一条破碎的碎岩带,切顶效果差,不利于顶板垮落；现有的理论研究对岩石性质了解还有欠缺,具体关键性参数应根据巷道实际所处的岩石环境确定,若控制参数不严谨或存在不规则裂隙等不确定因素,产生非定向裂缝的可能性会大幅上升,从而影响围岩稳定性。

1.4 切顶方法的整体评价

1)切顶效果。聚能切缝爆破技术通过爆炸产生的爆轰压力远大于水压压力,切顶效果最好；而密集孔施工所产生的破碎带缝隙间摩擦力大,存在大量连结的岩石,不利于垮落。就施工效果而言:聚能切缝爆破切顶>水力压裂切顶>密集孔切顶。

2)施工速度。密集孔不需要爆破和水力压裂,只需要多打密集孔;聚能切缝爆破技术超前工作面作业,为不影响正常回采,只能在检修班施工；而水力压裂技术需要逐段注水压裂。就施工速度而言:密集孔切顶>聚能切缝爆破切顶>水力压裂切顶。

3)对围岩影响。密集孔只需要在特定切缝上进行钻孔,对周围破坏程度最小；聚能预裂爆破可在设定方向上产生均匀的压力,对非切割段围岩影响相对较小；而水压致裂存在水弱化作用的影响以及密集孔施工受不确定裂隙的影响,对围岩破坏程度较大。就围岩破坏程度而言:水力压裂切顶>聚能切缝爆破切顶>密集孔切顶。

在考虑沿空留巷切顶技术时,需要综合考虑矿井施工条件,当井下瓦斯影响不大,爆破材料充足时,应当首先考虑聚能切缝爆破;当井下瓦斯影响较大,并且对施工速度要求不高时,可以优先采用水压致裂技术;当施工速度要求较高,煤层顶板条件较好且施工技术受限时,可以优先采用密集孔切顶技术。

2 东瑞煤业实际应用切顶技术的效果对比分析

2.1 聚能切缝爆破技术应用

基于上述评价,聚能切缝爆破最适用于沿空留巷。针对东瑞煤矿应用情况,对切顶高度、切顶角度、炮孔间距、装药结构方案进行理论计算,爆破参数设计如表1所示。

表1 聚能切缝爆破参数表Table 1 Parameters of the energy-cumulative and slotting blasting

在切顶效果上,采用钻孔窥视仪观测了聚能切缝爆破效果,如图6所示。可以看出，在封堵部分出现了少量爆破裂纹,在装药段炮孔两侧出现了明显的两侧切缝。

图6 聚能切缝爆破钻孔窥视结果Fig.6 Borehole peeping results of the energy-cumulative and slotting blasting

然而,经过留巷100 m后观察留巷情况发现图7中的现象,巷道顶板整体倾斜,恒阻锚索的锁具几乎没有缩进,可能存在顶板失效情况,顶板出现从U型钢处断开的现象。观察巷帮发现，煤帮向巷道移进，单体支柱有串底现象。

进一步分析中可知,统计列举了聚能切缝爆破期间巷道顶底板及两帮变形量,如图8所示。巷道顶底板移近量在200～400 mm,两帮收敛量在200～700 mm。由于实际观察到明显的巷道顶板下沉,因此图8(a)中顶底板移近量主要是顶板压力大导致顶板下沉,进一步导致煤帮破坏并向巷道移进。

(a)巷道变形

(b)现场顶板下沉照片图7 应用聚能切缝爆破技术后巷道变形Fig.7 Roadway deformation after the energy-cumulative and slotting blasting

(a)顶底板移近量

(b)两帮收敛量图8 聚能切缝爆破期间巷道围岩变形量Fig.8 Surrounding rock deformation during the energy-cumulative and slotting blasting

根据上述应用情况总结问题如下:采取4.5 m切顶高度不足,上覆顶板压力大导致顶板下沉,因此需要提高切顶高度,相应地提高锚索长度；由于煤帮向巷道移进,因此实体煤帮需要良好的加固,采用锚杆+钢带固帮；U型钢存在侧倾现象,可采用底部焊接钢板或者削尖来固定；在顶板下沉的同时,也存在单体穿底,存在少量底鼓现象,需要及时起底。

2.2 水力压裂弱化切顶技术应用

受高瓦斯矿井和火工品影响,并且基于聚能切缝爆破在东瑞沿空留巷效果不佳,展开了水力压裂弱化切顶技术试验研究。结合东瑞煤矿实际情况,对水力压裂钻孔深度、角度、间距、直径、以及压裂方式进行了理论计算,水力压裂参数设计如表2所示。

采用水力压裂施工时间较短,水力压裂切顶后对沿空留巷围岩变形影响情况未能体现,缺乏水力压裂切顶对留巷围岩变形的监测数据,并且在施工中主要遇到以下问题:

1)水力压裂设计参数不合适,无法保证切顶垂深达到预计效果,并且相比聚能切缝爆破技术和密集孔切顶技术,裂缝成型质量较差,在钻孔远处的致裂效果远不如聚能爆破。

2)水压致裂施工需要顶板水力压裂包括封孔、高压水压裂、保压注水等3项主要工序,高压水泵、高压供水胶管、储能器、封孔器、下封孔器注水管等专业设备,需要专人对操作设备进行学习,由于工人素质较低,操作始终较为生疏,导致在施工过程中需要逐段施工,耗费时间长、工序繁琐、靠近回采面处需预留较长的封堵段无法致裂，且注水钢管容易卡在钻孔内,影响施工进度及工程质量。

3)因为水具有弱化岩石强度的作用,且水压作用下围岩松动圈内原有裂隙会积蓄扩展,若水压致裂的位置位于顶板较近处,出现了在压裂时将附近原有顶板离层仪冲出的情况,并且在一定程度上会破坏围岩完整性,后期支护难度、支护效果与支护费用也会增大。

为了确保回采进度和切顶效果,在短暂对水力压裂弱化切顶技术进行现场试验后,考虑到现场实际施工进度的要求,东瑞煤矿及时对沿空留巷进行了密集孔弱化顶板技术设计。

表2 水力压裂切顶参数表Table 2 Hydraulic fracturing roof cutting parameters

2.3 密集钻孔弱化顶板技术应用

在距采空区侧200 mm处钻设一排切顶孔,切顶孔深6 m,切顶孔向采空区侧倾斜15°(切顶角度15°),切顶孔间距为250 mm。切顶孔平面布置示意图如图9所示,切顶参数汇总如表3所示。鉴于聚能切缝爆破技术和水力压裂弱化切顶技术应用效果较差,及时变更设计采用了密集孔切顶方法。目前在架后100 m范围内观察留巷效果较好,如图10所示,巷道顶板基本没有发生下沉,有少量底鼓现象,且巷帮移近量较小。

图9 切顶孔平面布置示意图Fig.9 Layout of the roof-cutting boreholes

钻孔深度/m钻孔角度/(°)钻孔间距/mm钻孔直径/mm 61525050

(a)留巷效果

(b)巷道顶板与单体支柱铰接顶梁搭接处图10 架后100 m范围内的留巷效果Fig.10 Entry retaining effect within 100 m behind the shelf

在架后100～300 m位置,观察巷道部分位置的恒阻锚索往回进,如图11(a)所示,说明存在顶板下沉现象。此外,由于前期巷道维护时采用了地面硬化处理,很多区域出现了底鼓顶裂硬化地面的情况,如图11(b)。此外,观察到架后200～300 m的部分位置出现了严重的两帮收敛,留巷侧和实体煤帮均有明显的移进,且顶板出现破碎大坑,根据工作面布置图可以发现,该处可能是F9断层位置,该段区域应该加强支护。

(a)恒阻锚索向内缩进

(b)硬化地面被底鼓破坏图11 架后100～300 m出现顶板下沉与底鼓Fig.11 Roof subsidence and floor heave from 100 to 300m behind the shelf

工作面端头支架会破坏恒阻锚索支护,锚索外露部分被挤压,如图12所示,可能存在失效,尽管在旁边已经修护,但这些位置的下沉量比未破坏位置要大。

图12 恒阻锚索被端头支架挤压Fig.12 Constant resistance anchor cable squeezed by end support

统计列举了密集孔留巷期间顶底板移进量和两帮移进量,如图13所示。可以看出,在工作面推进139～380 m范围内,顶底板移进量基本在400 mm以内,两帮移进量基本在300 mm以内。相比聚能切顶爆破的留巷效果有所改善,原因在于切顶高度提高以及支护强度增加,一方面减少了顶板压力,另一方面提高了支撑顶板的能力。此外,可以看出爆破切顶区段的巷道顶板基本稳定。

(a)顶底板移近量

(b)两帮移进量图13 密集孔沿空留巷期间顶底板及两帮移近量Fig.13 Roof-to-floor and side-to-side convergence during gob-side entry retaining with dense boreholes

根据上述应用情况总结如下:从现场观察看,架后100 m范围内的留巷效果较好,但架后100～300 m出现顶板下沉以及两帮移进较为明显；在大约F9断层位置,出现了明显的两帮移进,顶板破碎现象；工作面端头支架会破坏恒阻锚索导致失效；对比密集孔切顶和爆破切顶效果,密集孔切顶留巷效果相对较好。

3 结论

本文通过对沿空留巷切顶卸压的3种常规技术进行了分析和应用研究,得到以下结论。

1)应用研究表明,就施工效果而言:聚能切缝爆破切顶>水力压裂切顶>密集孔切顶；就施工速度而言:密集孔切顶>聚能切缝爆破切顶>水力压裂切顶速度；就围岩破坏程度而言:水力压裂切顶速度>聚能切缝爆破切顶>密集孔切顶。

2)根据东瑞矿的施工经验结合本文对3种切顶技术的分析,可以得知,在低瓦斯矿井和火工品充足的矿井,优先采用聚能切缝爆破技术;在高瓦斯矿井和工人素质较高的矿井,优先考虑水力压裂技术;在施工进度要求较高、围岩条件较好及技术要求较低的矿井,优先考虑密集孔切顶技术。

3)本文由于采取水力压裂技术进行切顶时时间较短,水力压裂切顶后对沿空留巷围岩变形影响情况未能体现,缺乏水力压裂切顶对留巷围岩变形的监测数据,可以在下个工作面回采期间对水力压裂切顶技术对留巷围岩变形的影响进行深入的研究,以进一步对3种常见切顶技术比较分析。综合来看沿空留巷切顶技术需要根据理论计算、施工经验以及矿井实际情况来综合考量,多进行试验,才能有选取最适用于本矿井的合理切顶技术与施工方案。