劉錦榮，姚強(qiáng)嶺，賈 淵，馬軍強(qiáng)，夏 澤

(1.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

大同礦區(qū)是我國典型的堅(jiān)硬頂板礦區(qū)[1]，目前正在開采的石炭系煤層頂板堅(jiān)硬且完整，工作面回采后基本頂不能及時垮落[2，3]，甚至形成永久性的懸臂結(jié)構(gòu)，對沿空掘巷的圍巖支護(hù)十分不利[4，5]，因此有必要在上區(qū)段工作面回采過程中沿煤柱對巷道頂板構(gòu)造人工的結(jié)構(gòu)弱面，實(shí)現(xiàn)切頂卸壓，使得工作面回采過后頂板能夠及時垮落采空區(qū)，減小由于側(cè)向懸臂結(jié)構(gòu)施加于巷道圍巖的載荷，降低沿空巷道控制難度。

切頂卸壓技術(shù)是通過人工干預(yù)的方式，有目的地弱化或者破壞頂板巖層的結(jié)構(gòu)完整性和改變頂板巖層的強(qiáng)度特性，使得頂板巖層的強(qiáng)度大幅度下降，達(dá)到切斷堅(jiān)硬頂板、改變巷道圍巖受力狀態(tài)的目的。

何滿潮等對無煤柱自成巷切頂爆破關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了總結(jié)和優(yōu)化，提出了無煤柱開采切頂卸壓自成巷技術(shù)并且提出了切頂爆破設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化流程及方法[6，7]；Chen研究了深孔爆破技術(shù)控制堅(jiān)硬頂板的卸壓機(jī)理[8]；張自政等通過數(shù)值計(jì)算手段研究了淺孔爆破有效應(yīng)力的演化和傳播規(guī)律，并結(jié)合理論計(jì)算推導(dǎo)確定淺孔爆破的相關(guān)參數(shù)[9]；陳勇等分析了導(dǎo)向孔在淺孔爆破卸壓過程中的作用機(jī)理，探究了爆破參數(shù)與爆破效果的之間的關(guān)系[10]；張農(nóng)等提出了沿空留巷頂板深孔爆破預(yù)裂卸壓機(jī)理[11]；張書軍[12]等針對厚硬頂板工作面高強(qiáng)度來壓致災(zāi)事故頻發(fā)等問題，通過預(yù)裂爆破切頂措施降低工作面來壓強(qiáng)度，黃炳香等提出了水力壓裂技術(shù)弱化控制堅(jiān)硬頂板的理論和控制沿空巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)等方面的成套工藝技術(shù)體系[13-16]；于斌等通過開展水力壓裂弱化煤層上覆堅(jiān)硬頂板，解決了沿空巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的問題[17]；吳擁政研究了通過定向水力壓裂技術(shù)弱化堅(jiān)硬頂板、改善圍巖應(yīng)力以解決沿空巷道的強(qiáng)礦壓問題[18]，劉愛卿[19]、楊健[20]針對高應(yīng)力巷道維護(hù)困難問題，通過實(shí)施水力壓裂切頂卸壓，改善了巷道圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境狀態(tài)，降低了巷道圍巖控制的難度，在現(xiàn)場取得了良好的應(yīng)用效果。

由于聚能爆破切頂卸壓技術(shù)和水力壓裂切頂卸壓技術(shù)存在施工工藝復(fù)雜、進(jìn)度慢和安全性等問題，根據(jù)同煤集團(tuán)開發(fā)的鏈臂鋸切割造縫切頂卸壓技術(shù)，研究了鏈臂鋸切斷頂板后巷道圍巖應(yīng)力的時空演化規(guī)律，對鏈臂鋸切頂卸壓技術(shù)的推廣應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

8311工作面為塔山煤礦三盤區(qū)下階段的主采工作面，為保證正常采掘接續(xù)和提高煤炭資源采出率，在8311工作面回采結(jié)束前完成8312工作面2312巷的掘進(jìn)工程，8311工作面與8312工作面間僅留設(shè)6.0m小煤柱，采掘工程布置方案如圖1所示。

圖1 采掘工程布置方案

塔山三盤區(qū)8311工作面主采山4#煤層，其地表最大標(biāo)高為1526m，最小標(biāo)高為1415m，工作面標(biāo)高993～1010m。8311工作面頂板中存在堅(jiān)硬、完整的厚巖層，山4#煤層頂板情況如圖2所示。

圖2 8311工作面巖層柱狀

8311工作面頂板覆巖中存在堅(jiān)硬、完整的厚巖層，8311工作面回采過程中，8311工作面端頭易形成了大面積的沿采空區(qū)的側(cè)向懸頂，側(cè)向懸頂給沿空巷道的巷內(nèi)支護(hù)施加了較大的附加載荷。2312巷靠近采空區(qū)側(cè)頂板出現(xiàn)了較大的頂板下沉，導(dǎo)致2312巷覆巖中直接頂與基本頂之間有較大的離層現(xiàn)象，甚至形成永久性的懸臂式結(jié)構(gòu)，大大增加了煤柱的載荷，極有可能造成2312巷變形急劇增加，進(jìn)而影響其圍巖穩(wěn)定性；并且，塔山煤礦有限公司三盤區(qū)堅(jiān)硬頂板互層密集，互層厚度變化較大，對切頂卸壓造成極大的不利影響，常規(guī)切頂方式效果較差，切縫貫通率較低，切面凹凸不平，導(dǎo)致沿空側(cè)側(cè)向懸頂給巷內(nèi)頂板產(chǎn)生較大的附加作用力。

2 礦用鏈臂鋸連續(xù)切割機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖3 礦用鏈臂鋸連續(xù)切割機(jī)外形

鏈臂鋸切割造縫切頂卸壓技術(shù)是同煤集團(tuán)基于鏈臂鋸切縫無煤柱切頂卸壓留巷的技術(shù)理念開發(fā)的一項(xiàng)利用鏈臂鋸體在激光對刀、刀臺側(cè)移等機(jī)構(gòu)輔助下實(shí)現(xiàn)連續(xù)、精準(zhǔn)、弱擾動、高效率的回采巷道切頂技術(shù)。

礦用鏈臂鋸連續(xù)切割機(jī)是鏈臂鋸切割造縫切頂卸壓技術(shù)的核心裝備，其主要組成包括平臺、切割部、行走部、潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、軌道、起吊裝置等，外觀如圖3所示。礦用鏈臂鋸連續(xù)切割機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①無需注水，可干切；②采用低速刨削形式，高效刀具潤滑，不易產(chǎn)生火花；③無需預(yù)先鉆孔省去輔助時間；④切割面平整完好，成形效果好；⑤可連續(xù)切割，效率高、勞動強(qiáng)度低，操作省力；⑥截齒采用圓形聚晶金剛石，硬度是傳統(tǒng)材料的10倍以上，一般使用壽命不小于1000h；⑦采用內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)，有效防塵；⑧采用激光點(diǎn)、刀臺側(cè)移動和小角度偏擺機(jī)構(gòu)可精準(zhǔn)高效對刀。鏈臂鋸連續(xù)切割機(jī)具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 礦用鏈臂鋸連續(xù)切割機(jī)技術(shù)參數(shù)表

3 鏈臂鋸切頂卸壓現(xiàn)場應(yīng)用及分析

3.1 鏈臂鋸切頂卸壓現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)上述鏈臂鋸切割造縫切頂卸壓技術(shù)方案于2018年12月25日至2019年2月7日進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，在切割頂板過程中，鏈臂鋸充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，切縫率為100%，且切割面平整。鏈臂鋸切頂有兩個現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)段，距離8311開切眼為5m和220m，第一試驗(yàn)段長14m，第二試驗(yàn)段為外錯相連長13m，分布位置如圖4所示。

圖4 鏈臂鋸切頂現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)范圍

通過在2312巷煤體和煤柱內(nèi)設(shè)置鉆孔應(yīng)力傳感器監(jiān)測支承壓力和煤體應(yīng)力演化特征，鉆孔應(yīng)力計(jì)布置如圖5所示，得到采動影響下工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ姆植继卣骷安蓜訑_動影響范圍。2312巷煤柱側(cè)深部應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化如圖6所示。

圖5 鉆孔應(yīng)力計(jì)布置

圖6 鏈臂鋸切頂卸壓煤柱鉆孔應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化曲線

3.2 2312巷煤柱側(cè)應(yīng)力變化規(guī)律

通過對比分析鏈臂鋸切頂卸壓段和無切頂卸壓段的煤柱深部應(yīng)力變化曲線，可知：①隨著工作面的推進(jìn)，2312巷煤柱深部應(yīng)力表現(xiàn)為先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律；②巷道掘進(jìn)后直至測站進(jìn)入工作面回采超前區(qū)域前，鏈臂鋸切頂卸壓對頂板圍巖結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能影響較小，切縫后頂板應(yīng)力狀態(tài)不發(fā)生明顯改變，2312巷煤柱深部應(yīng)力較為穩(wěn)定；工作面推進(jìn)至測站前40m處，2312巷煤柱深部應(yīng)力開始上升；工作面推進(jìn)至測站附近，煤柱深部應(yīng)力達(dá)到峰值并開始下降；8311工作面推過測站75～100m后，測站附近8311工作面采空區(qū)煤柱深部壓力與煤體深部壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 2312巷實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力變化規(guī)律

2312巷煤體深部應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化如圖7所示。通過對比分析鏈臂鋸切頂卸壓段和無切頂卸壓段的煤體深部應(yīng)力變化曲線，可知：①隨著工作面的推進(jìn)，2312巷煤體深部應(yīng)力表現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的表現(xiàn)形式；②巷道掘進(jìn)后直至測站進(jìn)入工作面回采超前區(qū)域前，鏈臂鋸切縫后頂板應(yīng)力狀態(tài)不發(fā)生明顯改變，2312巷煤體深部應(yīng)力較為穩(wěn)定；工作面推進(jìn)至測站前40m處，2312巷煤體深部應(yīng)力開始上升，增幅小于煤柱深部應(yīng)力；工作面推進(jìn)至測站附近，煤體深部應(yīng)力進(jìn)一步增大；8311工作面推過測站75～100m后，煤柱深部壓力與煤體深部壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；③鏈臂鋸切縫試驗(yàn)段煤體圍巖應(yīng)力峰值普遍小于無切頂操作試驗(yàn)段。無切頂操作試驗(yàn)段煤壁內(nèi)部15m處鉆孔應(yīng)力增量達(dá)6.0MPa，鏈臂鋸切頂卸壓試驗(yàn)段煤壁內(nèi)部15m處鉆孔應(yīng)力增量分別為2.8MPa，明顯低于無切頂試驗(yàn)段。

圖7 鏈臂鋸切頂卸壓煤體鉆孔應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化曲線

4 結(jié) 論

1)在工業(yè)性試驗(yàn)過程中，鏈臂鋸切割造縫充分發(fā)揮其成縫效果較好的優(yōu)點(diǎn)，在錨桿支護(hù)范圍內(nèi)成縫率可達(dá)100%。

2)回采過程中，由于煤炭資源采出，頂板結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，頂板載荷向臨近工作面轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致煤體和煤柱幫圍巖應(yīng)力上升，而鏈臂鋸切縫試驗(yàn)段頂板應(yīng)力傳遞被人為切斷，導(dǎo)致鏈臂鋸切縫試驗(yàn)段煤柱圍巖應(yīng)力增幅普遍小于無切頂操作試驗(yàn)段，說明鏈臂鋸切頂卸壓的卸壓效果良好。

3)工作面回采后，頂板結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由于鏈臂鋸切割造縫成縫率較高，煤柱側(cè)頂板提供給采空區(qū)頂板支承力較小。