李月超

（山西潞陽(yáng)煤炭投資經(jīng)營(yíng)管理有限公司，山西 晉中 045400）

1 概況

祥升煤礦3301 綜采工作面是3#煤三采區(qū)第一個(gè)工作面，煤層埋深215～416 m。煤層上覆巖層依次為炭質(zhì)泥巖、砂泥巖以及中粒砂巖，煤層的底板為泥巖和中粒砂巖。為減輕工作面回采過(guò)程中巷道支護(hù)的壓力，提高煤炭資源回收率，決定在3301皮帶順槽和3301 專(zhuān)用回風(fēng)巷交界進(jìn)行切頂卸壓、沿空留巷。3301 工作面切頂卸壓施工位置如圖1。

留巷段切頂卸壓施工終點(diǎn)位置即為停采線位置，設(shè)計(jì)的留巷段長(zhǎng)度為842 m。為了使留巷能保持穩(wěn)定，采用了切頂卸壓和補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)的措施。首先通過(guò)爆破技術(shù)對(duì)預(yù)留巷道進(jìn)行局部切頂，從而減輕巷道周?chē)膽?yīng)力[1-2]，然后采用補(bǔ)強(qiáng)錨索對(duì)巷道進(jìn)行加固，從而有效地控制巷道的頂板下沉。

圖1 3301 工作面切頂卸壓施工位置示意圖

2 煤層頂板預(yù)裂切縫爆破設(shè)計(jì)

在進(jìn)行頂板預(yù)裂時(shí)，采用的是雙向聚能爆破技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)將一定量的炸藥裝在可以在兩個(gè)方向起爆的裝置中，起爆時(shí)鉆孔周?chē)谠O(shè)定的方向受到拉應(yīng)力作用，從而使鉆孔按照預(yù)定的方向產(chǎn)生裂縫。

2.1 切縫深度和角度的選取

切縫深度是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)確定的，其與煤層的采高有一定的關(guān)系，通常情況下合理的切縫深度H縫應(yīng)該大于2.5 倍的采高H煤。此外，切縫深度還與鉆孔深度、頂板下沉量以及底鼓量有一定的關(guān)系，可以表示為[3]：

式中：ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；k 為巖石的碎脹系數(shù)，1.3～1.5。

根據(jù)3301 工作面頂?shù)装宓膸r性分布可知，其切頂范圍內(nèi)的泥巖所占比重為70%～80%，砂巖占比約10%～20%。通常情況下泥巖碎脹系數(shù)1.4，細(xì)粒砂巖碎脹系數(shù)1.3。通過(guò)泥巖和砂巖的碎脹系數(shù)的加權(quán)平均，得到切縫區(qū)的碎脹系數(shù)k=1.38。在考慮底鼓和頂板下沉的情況下，工作面的采高為2.0 m，可以得到切縫深度H縫為5.5 m。為了能更好地達(dá)到預(yù)期效果，預(yù)裂切縫孔深度H縫為6.0 m。

切頂角度是指頂板切縫與鉛垂方向的夾角。按照切頂卸壓機(jī)理，預(yù)裂切縫結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖塊需沿切縫順利滑落，避免形成鉸接巖梁結(jié)構(gòu)以傳遞上覆巖層壓力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，在切縫孔與鉛垂線的夾角為15°，且鉆孔間距為0.5 m 時(shí)，切縫的效果最佳。裝藥量和封孔長(zhǎng)度也需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定。炮孔試驗(yàn)參數(shù)如圖2。

圖2 炮孔參數(shù)試驗(yàn)方案

3301 皮順和3301 專(zhuān)用回風(fēng)巷交界處施工切縫預(yù)裂爆破孔，鉆孔的直徑為48 mm，深度為6.0 m，間距為0.5 m，鉆孔與垂直方向的角度為15°。在鉆孔成型后裝入特制聚能管、藥卷，采用黃泥封孔后進(jìn)行爆破作業(yè)。通常情況下，使用煤礦三級(jí)乳化炸藥，直徑為Φ32 mm×200 mm/卷，采用炮泥封孔。

2.2 補(bǔ)強(qiáng)錨索設(shè)計(jì)方案

考慮到爆破切頂和工作面回采時(shí)，巷道會(huì)承受較大的動(dòng)載而出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞，必須對(duì)巷道進(jìn)行加固，設(shè)計(jì)采用補(bǔ)強(qiáng)錨索進(jìn)行加固。為了使補(bǔ)強(qiáng)錨索能發(fā)揮對(duì)頂板的懸吊作用，補(bǔ)強(qiáng)錨索長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)為H縫+2.3 m。此外，考慮到原有的瓦斯抽采鉆孔對(duì)巷道的壓力也會(huì)有影響，補(bǔ)強(qiáng)錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度8.3 m。

在進(jìn)行施工時(shí)，每米補(bǔ)打2 根錨索對(duì)于切縫一側(cè)的頂板變形的控制更加有利。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，補(bǔ)強(qiáng)錨索垂直于頂板方向布置，共布設(shè)2 列，第一列恒阻錨索距留巷正幫500 mm，排距1000 mm，第二列距巷道副幫1400 mm 布置，排距2000 mm。補(bǔ)強(qiáng)錨索取為19 芯的Φ21.6 mm 高強(qiáng)度鋼絞線，長(zhǎng)度為8300 mm，預(yù)緊力不小于25 t，其他參數(shù)同普通頂板錨索。補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

2.3 巷道臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)工作面前方的支承壓力分布規(guī)律，可以將工作面前方的巷道劃分為3 個(gè)區(qū)[4]：超前支護(hù)區(qū)、架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)和成巷穩(wěn)定區(qū)。超前支護(hù)區(qū)在工作面前方0～30 m 左右，架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)在工作面前方30～200 m 的范圍，成巷穩(wěn)定區(qū)距離工作面200 m以外。巷道不同位置臨時(shí)支護(hù)如圖4。

圖4 巷道不同位置臨時(shí)支護(hù)

在超前支護(hù)區(qū)內(nèi)的巷道容易受到超前支承壓力的影響，需要采用臨時(shí)支護(hù)方式來(lái)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。結(jié)合工作面現(xiàn)有技術(shù)條件，可以采用單體液壓支柱+“π”型梁的方式進(jìn)行支護(hù)。在支護(hù)時(shí)，單體液壓支柱采用“一梁三柱”方式布置，間距1800 mm，排距1000 mm。由于轉(zhuǎn)載機(jī)在移動(dòng)時(shí)會(huì)影響到中間一排單體液壓支柱，需要對(duì)中間單體液壓支柱的位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

在液壓支架后方的臨時(shí)支護(hù)區(qū)內(nèi)的巷道，受到采空區(qū)上方巖層垮落的影響，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，在架后0～200 m 范圍內(nèi)頂板需要加強(qiáng)支護(hù)。目前架后臨時(shí)支護(hù)主要采用單體液壓支柱配合“π”型梁進(jìn)行超后支護(hù)。

在成巷穩(wěn)定區(qū)的巷道受到采面的影響較小，可以將設(shè)置的臨時(shí)支護(hù)的單體液壓支柱撤離，只保留可伸縮U 型鋼進(jìn)行擋矸支護(hù)。

3 施工順序

3301 工作面的補(bǔ)強(qiáng)錨索加固以及切頂卸壓的施工方案：

（1）對(duì)巷道采用補(bǔ)強(qiáng)錨索進(jìn)行加固。支護(hù)的參數(shù)由工程類(lèi)比和數(shù)值模擬法來(lái)確定，為了增加補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的強(qiáng)度，還應(yīng)該在巷道的走向方向上采用W鋼帶。

（2）施工頂板卸壓爆破孔。爆破孔位于巷道的交叉處，施工時(shí)鉆孔的深度為6.0 m，鉆孔的間距為0.5 m，鉆孔與垂直方向的夾角在15°左右。

（3）鋪設(shè)抽放管。當(dāng)留巷內(nèi)瓦斯?jié)舛乳L(zhǎng)期超高時(shí)，為了提高沿空留巷內(nèi)安全，在架后沿空留巷頂板臨近采空區(qū)鋪設(shè)抽放管路，并監(jiān)測(cè)抽放管路內(nèi)瓦斯?jié)舛取?/p>

（4）架后擋矸支護(hù)。待工作面推過(guò)后，及時(shí)在工作面支架爆破切縫側(cè)進(jìn)行擋矸支護(hù)。在靠近采空區(qū)側(cè)，間距500 mm 安設(shè)單體支柱，每?jī)筛鶈误w之間鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并布置可伸縮U 型鋼，使用木楔將其緊固。

（5）封閉采空區(qū)。為防止漏風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生，采取在鋼筋網(wǎng)與可縮U 型鋼內(nèi)側(cè)鋪設(shè)風(fēng)筒布和菱形網(wǎng)，高度取3.0 m，超出部分分別固定到頂?shù)装?。風(fēng)筒布頂板部分通過(guò)鋼筋與頂板金屬網(wǎng)綁緊，并在邊角處和接口處噴涂密閉材料進(jìn)行有效封閉。風(fēng)筒布搭縫處寬度30 cm，固定后亦進(jìn)行封閉處理。

4 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析

4.1 技術(shù)效益

在采用切頂卸壓技術(shù)后，可以減少煤炭資源的損失，增加回采工作面的可采儲(chǔ)量，提高回采率。3301 工作面采用切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，可以回收煤柱的寬度為20 m，總共可多回收4.7萬(wàn)t 原煤，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限。與普通巷道布置方法相比，采用切頂卸壓技術(shù)可少掘進(jìn)巷道842 m。

按全區(qū)采掘接續(xù)安排，采用切頂卸壓技術(shù)后，大大減少了連續(xù)采煤間隔時(shí)間。采用傳統(tǒng)技術(shù)需要留設(shè)煤柱，頂板周期性來(lái)壓顯現(xiàn)明顯，下覆近距離煤層應(yīng)力集中，巷道底鼓等大變形現(xiàn)象，給巷道的維護(hù)帶來(lái)較大困難。在采用切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采新技術(shù)之后，開(kāi)采過(guò)程中的片幫現(xiàn)象基本消除，減少了對(duì)巷道維護(hù)的工作量。

切頂卸壓技術(shù)為單巷掘進(jìn)，支護(hù)采用恒阻大變形錨索和單體支柱聯(lián)合，減小了巷道維護(hù)作業(yè)時(shí)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)還減少了支護(hù)材料的搬運(yùn)量。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

按照3301 工作面皮帶順槽留巷長(zhǎng)度842 m 核算：常規(guī)布置方法需要布置842 m 巷道，人工費(fèi)85.2 萬(wàn)元，材料費(fèi)211.8 萬(wàn)元，合計(jì)297 萬(wàn)元。切頂留巷布置方法，包括切縫鉆機(jī)、單體柱費(fèi)用時(shí)（折舊按10%），切頂留巷布置842 m 巷道，人工費(fèi)67萬(wàn)元，材料費(fèi)222.5 萬(wàn)元，合計(jì)289.5 萬(wàn)元。

常規(guī)布置方法巷道成本費(fèi)為3527 元/m，切頂留巷布置方法巷道成本費(fèi)2985 元/m，每米可節(jié)約資金542 元。

5 結(jié)語(yǔ)

在工作面回采過(guò)程中，由于工作面前方會(huì)存在很大的支承壓力，導(dǎo)致回采巷道的支護(hù)困難。3301工作面采用順槽切頂卸壓、沿空留巷技術(shù)，采用鉆孔爆破實(shí)施頂板預(yù)裂，根據(jù)巷道超前支護(hù)區(qū)、架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)和成巷穩(wěn)定區(qū)采用不同的支護(hù)形式，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果表明，切頂沿空留巷技術(shù)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。