沿空留巷密集孔切顶卸压技术实践

2022-12-20何文帅袁红平党永超颜少波

陕西煤炭 2022年6期

何文帅，袁红平，党永超，颜少波

(陕西瑞能煤业有限责任公司，陕西延安 727307)

0 引言

随着矿业技术、装备的不断发展，沿空留巷技术得到发展，降低了巷道掘进率、缓解了采掘接替，优化开拓开采布局，消除了煤柱上下区域的应力集中，是煤炭资源绿色、安全、高效的开采技术之一[1-4]。该技术是指在回采巷道将要形成的采空区侧定向预裂，切断顶板的应力传递路径，缩短顶板悬臂梁的长度，减少采空区侧煤体受到回采动压的影响；工作面回采后，顶板沿预裂位置滑落形成巷帮，该巷道作为下工作面的运输巷，且其受顶板作用力大大减少，能保证巷道使用期间的稳定性。

何满潮院士提出的切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术目前已经发展的非常完善[5-6]，但是针对个别矿井的特殊问题，还可进一步改进。出于安全方面考虑，对116综采工作面继续使用110工法，但是在切顶卸压技术上不使用爆破技术来达到成巷效果。为此，提出密集孔切顶技术，并对密集孔切顶技术在密集孔切缝角度、密集孔切缝高度、密集孔切缝钻孔间距及其相应的支护方案进行研究。

1 切顶卸压技术及特点

1.1 切顶卸压技术

顶板定向预裂切缝技术：利用岩体抗压怕拉特性，通过顶板定向预裂爆破装置，实现爆破时在2个设定方向上形成聚能流，并产生集中拉张应力，使顶板按照设定方向张拉断裂形成预裂面[7-9]。现场应用结果表明，该技术能按设计位置及方向对顶板进行预裂切缝，使顶板按照设计高度沿预裂切缝面切落，达到了既能主动切顶又不破坏顶板的目的。

NPR恒阻大变形锚索支护技术：针对切顶卸压自动成巷矿压显现特点，采用具有负泊松效应(NPR效应)的恒阻大变形锚索对巷道围岩进行支护，实现当围岩产生一定大变形后仍能保持稳定[10-12]。力学特性试验结果表明，恒阻大变形锚索具有超常力学特性，恒阻值及恒阻运行长度等物理力学参数均居于国际领先地位，采用恒阻大变形支护材料可以实现在恒定支护阻力条件下的拉伸大变形，能够适应并有效控制动压影响下巷道顶板下沉所产生的大变形。

挡矸支护技术：针对110工法采空区矸石垮落特点，联合运用液压单体支柱、可缩U型钢、金属网等材料对采空区矸石进行防护，以抵抗顶板垮落过程中对碎石帮产生的侧向动荷载。而且可以防止垮落矸石窜入巷道，降低碎石帮在未压实稳定时向巷内产生较大鼓出变形。

矿压远程实时监控技术：为掌握110工法在现场应用过程中的巷道围岩及支护体矿压显现情况，专门研发了一套与110工法配套的矿压远程实时监控系统。该系统以实用矿山压力理论为核心，将恒阻锚索受力及变形、顶板离层、顶底板移近量、留巷段支护结构受力、煤体支承压力、工作面支架压力等监测集于一体，可实现对整个工作面全方位一体化实时监测及预警。

1.2 技术特点

切顶卸压沿空自动成巷无煤柱开采技术，能够将顶板按设计位置切落，切断顶板的应力传递，能够使回采巷道自动形成巷道，供下一工作面使用，并使其处于卸压区，解除了高应力环境的威胁。该技术能够消除邻近工作面煤体上方应力集中，控制采空区顶板垮落，减小巷道掘进率，可实现无煤柱开采。

2 工程背景

116工作面位于121盘区东北部井田边界处，呈南北向布置。该工作面北侧距402运输顺槽20 m，南侧为北区回风大巷，西侧为112采空区，东侧为118备采工作面。116综采工作面全长180 m，推进距离380 m，可采煤层为2号煤层，煤层厚度1.8～2.3 m，平均煤厚2.05 m，煤层倾角2°～5°，平均倾角3°，煤厚变化沿回采方向由厚变薄。该矿井属低瓦斯矿井。116综采工作面煤层顶底板情况见表1。

表1 116综采工作面煤层顶底板情况

3 密集孔切顶技术

根据116综采工作面的地质情况，对密集孔切顶技术研究主要包括顶板定向预裂切缝角度、顶板定向预裂切缝高度和顶板定向预裂切缝钻孔间距。

3.1 密集孔切缝角度

顶板定向预裂切缝角度的合理确定对切顶效果有着重要影响。根据相关研究表明，确定切缝角度的关键因素为工作面的采高，确定煤层、顶底板等相关地质条件不变，随着采高的不断增加，切缝角度越小。根据采高H的不同，切缝钻孔角度(βd)可根据工程经验进行确定，即当H≤1 m时，βd=20°；当1 m

因此，116工作面的煤层平均厚度为2.05 m，确定密集孔切缝钻孔角度(βd)为15°。根据规章制度相关要求，顶板定向预裂切缝施工应至少超前工作面50 m进行。

3.2 密集孔切缝高度

密集孔切缝高度的大小直接决定着110工法的成败。当切缝高度较低时，垮落顶板不足以填满巷道侧，造成通风困难并增加顶板冒落风险，当切缝高度较高时，顶板不易垮落，及时达不到预期沿空留巷效果，并会带来一系列安全隐患。合理地确定切缝高度是必要的。

通过顶板定向预裂切缝高度与采高密切相关公式可以大致确定钻孔深度

LF=H/(Kp-1)

(1)

式中，LF为密集孔切缝钻孔深度，m；Kp为岩石碎胀系数。

116综采工作面直接顶为泥岩，基本顶为细粒砂岩夹泥岩，根据煤矿常用岩石碎胀系数表可知，直接顶的碎胀系数小于1.2，基本顶碎胀系数为1.3～1.5，本次切缝高度计算中的碎胀系数取直接顶和基本顶的平均，因此碎胀系数为1.3。将采高H=2.05 m带入公式得LF为6.87 m。按照工作面上覆岩层垮落后在采空区破碎后能够完全充填采空区为依据进行计算垮落带高度作为密集孔切缝高度的验证。垮落带高度的计算公式为

Hk=H/(Kp-1)

(2)

式中，Hk为垮落带高度，m；H为采高,m；Kp为岩石的碎胀系数。碎胀系数取1.3计算，该工作面切眼处采高最大为2.6 m，按照最大采高计算，工作面垮落带最大高度为8.67 m，即确定密集孔切顶高度LF为8.67 m。116回风顺槽密集孔现场施工图如图1所示。

图1 116回风顺槽密集孔现场施工

通过确定合理的切顶高度，切断顶板侧向悬臂长度，使切顶高度内岩层垮落后能充满整个采空区，对更上位的岩层起到了较好的支撑作用，从而优化了留巷顶板结构，最大限度地降低顶板岩层回转下沉对留巷的扰动作用，沿空留巷围岩应力得到有效改善，其稳定性也得到显著提高。

3.3 密集孔切缝钻孔间距

顶板定向预裂切缝钻孔直径一般为46～48 mm。根据岩性不同，设计不同的切缝钻孔间距。顶板为坚硬顶板时钻孔间距为500 mm，顶板为软岩顶板时钻孔间距为550 mm，顶板为破碎顶板时钻孔间距为600 mm；顶板为复合顶板时钻孔间距为500～600 mm。密集孔切顶的关键技术就是减少钻孔间距来达到定向预裂切缝效果，使得避免炸药的使用。密集孔切缝钻孔间距需要重新确定，根据之前110工法工作面顶板定向欲裂切缝钻孔施工后，通过钻孔窥视仪进行探测，钻孔探测图如图2所示。

图2 钻孔窥视图

通过钻孔窥视仪可以探测钻孔内裂隙的发育状况，单一钻孔情况下，裂隙随着顶板的增加一直延伸，测得裂隙深度大约为40～60 mm。最终确定密集孔的钻孔间距为100 mm。密集孔切顶技术改变了以往繁琐的步骤。116回风顺槽密集孔设计图如图3所示。

图3 116回风顺槽密集孔设计

4 支护方案的确定

4.1 NPR恒阻大变形锚索支护设计

工作面回采后，在顶板周期压力作用下，顶板沿密集孔切缝自动切落过程中，采用NPR恒阻大变形锚索支护能够适应并有效控制动压影响下巷道顶板下沉所产生的大变形，确保顶板稳定。为保证切顶过程和周期来压期间巷道的稳定，在实施顶板预裂切缝前采用NPR恒阻大变形锚索支护巷道。NPR恒阻大变形锚索由一般性钢绞线、恒阻器、锁具及托盘等组成。型号HZS35-300-0.5，恒阻值330±20 kN，φ21.8 mm；NPR恒阻大变形锚索最小长度(LH)可按照式(4)进行设计

LH=LF+2.0

(4)

式中，LH为NPR恒阻大变形锚索最小长度，m；LF为预裂切缝高度，m。

将数值带入得LH为10.0 m，根据顺槽顶板岩性情况及巷道原支护参数，恒阻大变形锚索设计长度取10.3 m。在距离主帮600 mm、巷中分别施工恒阻大变形锚索，巷旁侧间距800 mm，巷中侧间距2.4 m，距离巷道中心线200 mm(偏向副帮)，孔深10.30 m，钢绞线外露长度150 mm，预应力值不小于45 MPa。采用防腐让压锁具施工恒阻锚索时，巷中间排距调整为1 600 mm，距离巷道中心线200 mm(偏向副帮)。

4.2 巷中及巷旁支护设计

超后临时支护区(架后0～180 m)。此段巷道位于工作面超后影响区，受动压影响明显，巷道顶板压力较大根据现场条件，设计U型钢+钢筋网+单体液压支柱支护。架后0～180 m巷中采用单体液压支柱+花边梁进行顶板加强支护，间排距500 mm×500 mm，巷旁采用U型钢+钢筋网+单体液压支柱支护的支护方式，单体支柱与U型钢间距为500 mm。

成巷稳定区(架后180 m之后)。此段巷道受采动影响很小，顶板下沉量及单体支柱的压力变化很小，可认为该区域已趋于稳定状态，可将临时支护单体撤掉，只保留U型梁进行挡矸，挡矸支护采用U型梁，U型梁间距500 mm，116回风顺槽巷旁支护图、挡矸支护侧视图示意图如图4所示。

图4 116回风顺槽巷旁支护图、挡矸支护侧视图

5 现场施工

5.1 施工过程

按顺序分为3步，即恒阻锚索支护、施工密集孔、施工工作面后方巷旁支护及巷道中部临时支护。回采前，按照恒阻锚索支护设计施工恒阻锚索，回采过程中恒阻锚索施工必须超前工作面不少于70 m；回采过程中密集孔施工必须滞后恒阻锚索20 m且超前工作面距离不少于50 m；当工作面推进180 m后，对工作面后方巷旁及巷中临时支护进行有序拆除，直至留巷结束。

5.2 监测分析

116回顺布置顶底板移近量测点，每隔50 m布置一组，监测仪器型号为矿用本安型顶底板移近量监测仪YHU200，对巷道顶底板变形情况进行监测。在116回顺临时支护单体间隔50 m安装一个单体压力检测仪，定期监测单体压力值，并进行详细记录。116回风顺槽顶底板移近量、单体压力与工作面推进度变化情况见表2。

表2 116回风顺顶底板移近量、单体压力观测统计

随工作面的推进，工作面支架后方顶板能够及时垮落并充填采空区，经现场实测，巷道顶板最大下沉量为150 mm，底板鼓起量最大为200 mm，留巷断面平均为4.2 m×2.4 m，巷道顶板未发现明显断裂，巷道内恒阻锚索支护未发现失效、破坏现象，成巷效果明显。可以看出，密集孔切顶技术的实现不但保障了成巷的质量，不影响正常安全高效生产，而且减少了药的损耗以及大量的财力物力，有利于煤矿的进一步快速发展。

5.3 密集孔留巷的关键

采空区顶板能否沿密集孔中心线及时垮落决定了成巷质量。采空区顶板能否沿密集孔中心线垮落一方面由顶板的岩性决定，如顶板的层理、节理发育程度；另一方面由密集孔的深度、孔径、角度决定。现场密集孔的施工质量则成为密集孔在上覆岩层与巷旁侧挡矸支护的共同作用下能否切断采空区基本顶悬臂岩梁与留巷上覆岩层之间联系的关键因素。在密集孔参数设计时，必须充分考虑顶板岩性、工作面回采高度、采空区垮落最大高度等因素。如矿井有类似施工经验，则优先参考类似工程下的施工经验设计密集孔参数。现场施工时，必须加强密集孔施工质量监管。重点对密集孔的直线性、深度、角度进行监管，严格按照设计施工，误差不超过规定值。施工前，应在巷道内进行防线、描点，提高现场施工的质量。条件允许时，用钻孔窥视仪对孔深、孔内裂缝情况进行窥视、统计，以提高密集孔施工质量。留巷过程中必须对留巷段的巷道成形、采空区顶板垮落情况、巷道内恒阻锚索支护质量、原巷道支护质量、底鼓及巷道内临时支护等进行定期检查。若工作面回采过后，支架后方采空区顶板不能及时垮落造成巷道收敛严重，巷道内压力显现明显，则须及时调整钻孔参数，或采取补强支护方式对留巷方案进行调整。