澄合礦業(yè)綜采工作面切頂卸壓沿空留巷實(shí)踐與分析

澄合礦業(yè)綜采工作面切頂卸壓沿空留巷實(shí)踐與分析

劉永江?? 吳新選

摘要? 無煤柱開采切頂卸壓沿空留巷技術(shù)是指工作面回采時，對沿空巷道頂板實(shí)施超前預(yù)裂，在采場頂板周期來壓作用下，采空區(qū)頂板沿著預(yù)裂面在巷旁切落，形成對上覆老頂巖梁的支撐結(jié)構(gòu)，達(dá)到減小沿空巷道圍巖壓力的目的，有效控制了成巷頂板穩(wěn)定性。其留巷的成功是巷旁支護(hù)，巷內(nèi)支護(hù)和巷外切頂共同作用的結(jié)果。

關(guān)鍵詞?? 巷內(nèi)支護(hù)?? 巷外切頂??? 切頂卸壓??? 沿空留巷?

0? 引言

巷內(nèi)支護(hù)是留巷成功的內(nèi)因，巷內(nèi)支護(hù)的最佳方式是采用小變形錨桿錨索支護(hù)，巷內(nèi)支護(hù)的穩(wěn)固點(diǎn)必須達(dá)到老頂砌體梁。同時指出，足夠的圍巖支護(hù)強(qiáng)度可以弱化巷旁支護(hù)。巷旁支護(hù)是留巷成功的補(bǔ)充內(nèi)因，巷旁支護(hù)的力學(xué)特征是盡可能高的恒阻支撐，巷旁支護(hù)的足夠強(qiáng)度可以彌補(bǔ)巷內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度的不足并可以弱化巷外切頂。巷外切頂是沿空留巷外因，切落的頂板形成對上覆基本頂巖梁的支撐結(jié)構(gòu)，控制基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)和下沉變形，實(shí)現(xiàn)卸壓；形成巷幫，隔斷采空區(qū)，從而保留工作面下平巷，實(shí)現(xiàn)單面單巷采掘模式。

1? 50107工作面基本情況

50107工作面總體位于DD2號簸萁向斜構(gòu)造區(qū)，工作面北高南低，西高東低，煤層傾向變化較大，傾角在3°～6°。50107工作面傾斜長度為133m，走向長度為224m。

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圖 1留巷布置圖

回采煤層是5號煤層，5號煤為黑色，半亮型，由亮煤及暗煤組成，含黃鐵礦結(jié)核，煤層厚2.6～5.0m，平均厚3.4m，屬較穩(wěn)定煤層，一般含夾矸一至二層，下矸較穩(wěn)定，厚0.2～0.6m，夾矸多為炭質(zhì)泥巖及砂質(zhì)泥巖，在5號煤層與K4之間，局部有一層4號煤，厚0.1～0.3m。

2.? 切頂卸壓沿空留巷施工組織設(shè)計

2.1? 巷道支護(hù)情況

50107綜采工作面沿空留巷試驗的目的是將50107工作面回風(fēng)巷切頂卸壓沿空留巷，作為相鄰50109綜采工作面進(jìn)風(fēng)巷，其中從開切眼向外130m段（含開切眼）為切頂卸壓沿空留巷段。

??? 切頂卸壓沿空留巷原巷道設(shè)計寬度4600mm，高度3200mm，預(yù)想留巷寬度4000mm，高度2800mm，支護(hù)參數(shù)為：頂部錨桿為?20×3000mm無縱肋左旋螺紋鋼，間排距為700×600mm；錨索四四布置，其中3根?21.8×8300mm打在2600mmT型鋼帶上，間排距為1200×1200mm，另距鋼帶上左邊錨索950mm處打1根?21.8×10400mm鎖邊錨索，排距為600mm；非采煤側(cè)幫部錨桿為?20×3000mm右旋等強(qiáng)螺紋鋼，間排距為700×600mm，采煤側(cè)幫部錨桿為?20×2400mm無縱肋左旋螺紋鋼，間排距為800×800mm。如下圖所示：

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圖2 50107留巷巷道斷面支護(hù)圖

2.2? 切頂卸壓沿空留巷工藝簡介

?? ?切頂卸壓沿空留巷技術(shù)施工主要工藝流程：錨索超前加固支護(hù)（掘進(jìn)時已進(jìn)行）→施工切頂眼（超前支護(hù)）→沿設(shè)計切頂線爆破預(yù)裂切縫→留巷段加強(qiáng)支護(hù)及擋矸→噴漿封閉巷幫（具體視現(xiàn)場頂板垮落及采空區(qū)漏風(fēng)情況而定）。

2.2.1切頂眼打設(shè)及爆破（提前施工）

（1）、切頂眼位置為距離鎖邊錨索左側(cè)450mm處，眼深7000mm，與水平面夾角為20°，眼孔直徑為45mm，間距為500mm。切頂眼打設(shè)必須成一條直線，3個班打眼，爆破盡可能放到檢修班進(jìn)行，每次爆破數(shù)量不超過10個。

（2）、切頂眼打設(shè)完成必須經(jīng)檢驗合格后方可進(jìn)行爆破預(yù)裂切縫，采用不耦合裝藥，串聯(lián)連線正向爆破。

（3）、裝藥時，將?32mmPVC管一切兩半，管子底部布置3節(jié)藥卷，孔間布置2節(jié)藥卷，兩者相距3m，用透明膠帶將炸藥及管線固定好，然后將PVC管捅入切頂眼內(nèi)，孔口封堵1m長度黃土封泥。

表1巷外切頂設(shè)計表

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圖3切頂眼打設(shè)及裝藥示意圖

現(xiàn)場觀測使用鉆孔窺視儀觀察切頂眼孔內(nèi)爆破效果，如圖4所示，在孔口及孔內(nèi)部可看出切頂孔之間的裂隙明顯發(fā)育，基本能達(dá)到預(yù)想程度。

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圖4切頂眼爆破效果圖

在工作面回采之前，我們嘗試提前爆破了30m切頂眼，根據(jù)現(xiàn)場爆破效果及數(shù)據(jù)實(shí)測分析，切頂眼爆破對頂板控制并無較大影響，所以，剩下的切頂眼都是提前爆破的。

??? 工作面回采后，根據(jù)采空區(qū)頂板垮落情況可以發(fā)現(xiàn)，頂板基本能夠沿著切頂眼設(shè)計位置垮落，鎖邊錨索齊全完整，無破壞、失效現(xiàn)象。沿空巷旁采空區(qū)頂板垮落效果圖如下圖5所示。

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圖5沿空巷旁采空區(qū)頂板垮落效果圖

1.1.2巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)

切頂眼預(yù)裂爆破前對巷道超前段、機(jī)尾三角點(diǎn)及開切眼向后10m段進(jìn)行架棚加強(qiáng)支護(hù)，架棚支護(hù)采用3.6m長工字鋼梁+3.5m液壓單體聯(lián)合支護(hù)，其中右邊梁頭距幫200mm，左邊距鎖邊錨索托盤200mm，一梁三柱，棚距600mm，從左到右第一、二根單體間距800mm，第二、三根單體間距2300mm，其中正常超前支護(hù)段不少于27m，后巷的單體棚等100m以后視巷道穩(wěn)定情況決定是否進(jìn)行撤離。

2.2.3巷旁支護(hù)及擋矸

巷旁支護(hù)采用曲線擋矸柱+密集單體液壓支柱+鐵絲網(wǎng)（鋼筋網(wǎng)）聯(lián)合支護(hù)，曲線擋矸柱采用25U型鋼以及新型充填材料加工而成，間距600mm，分為兩段，一段長3000mm，另一段長800mm，中間采用U型卡纜進(jìn)行連接固定，要求搭接不少于400mm，上段活柱量程不小于200mm，安裝時利用單體進(jìn)行操作，曲線柱安裝完成后，將柱旁單體升緊貼頂。

每次打設(shè)曲線柱之前，在曲線柱上方鋪設(shè)頂網(wǎng)與巷道內(nèi)頂網(wǎng)相連（搭接不少于400mm），然后在曲線柱老空側(cè)順著曲線柱垂下至底板，反向折向采空區(qū)不得少于400mm（原設(shè)計為工作面后4架頂梁上方鋪網(wǎng)，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)踐拉架時容易被擠爛、降架時不利于頂板管理，后經(jīng)過研究決定改為曲線柱上方上網(wǎng)，效果好且安全易操作）。網(wǎng)片采用2600*900mm雙層鐵絲網(wǎng)，搭接不少于100mm，14#鐵絲逢孔必聯(lián)，并在鐵絲網(wǎng)與曲線柱之間自底板向上橫向鋪設(shè)2000*1000mm的鋼筋網(wǎng)，用于強(qiáng)化擋矸效果，鋼筋網(wǎng)與曲線柱固定在一起，鋼筋網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)之間逢孔必聯(lián)。曲線柱安裝完成后，在曲線柱中間補(bǔ)打1根單體以加強(qiáng)巷旁支護(hù)，單體間距600mm，曲線柱或單體打設(shè)必須超前切頂線至少600mm。

2.3巷道礦壓及收斂監(jiān)測

2.3.1監(jiān)測內(nèi)容

?? （1）、圍巖變形監(jiān)測：巷道表面收斂量和圍巖深部位移監(jiān)測；

?? （2）、壓力監(jiān)測：監(jiān)測巷內(nèi)及巷旁單體壓力；

?? （3）、一個來壓步距監(jiān)測：監(jiān)測沿空巷旁一個步距內(nèi)單體收縮量及壓力，和曲線擋矸柱橫向荷載監(jiān)測。

2.3.2? 測站測點(diǎn)布置

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圖6測站布置圖

第一測站布置在開切眼后幫位置；第二測站距離第一測站10m；第三測站距離第二測站10m；第四測站開始距離前面測站15m；共7個測站。

（1）每個測站監(jiān)測內(nèi)容

巷道表面收斂量；圍巖深部位移監(jiān)測；單體柱荷載監(jiān)測。

（2）測站監(jiān)測點(diǎn)布置

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圖7測站測點(diǎn)布置圖

2.3.3監(jiān)測結(jié)果及分析

（1）、礦壓監(jiān)測

監(jiān)測軟件記錄反映4#和5#在距離開切眼后幫35m-50m，在11.04-11.09號之間回采該區(qū)段。經(jīng)由數(shù)據(jù)曲線圖顯示可得：

a、4#測站布置位置在距離開切眼后幫35m處，其壓力值在前期增長速率大致相同，在11.14號（工作面回采至60m，測站滯后工作面25m）增長趨勢趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值在33MPa；

b、5#測站布置位置在距離開切眼后幫50m處，在11.23號（工作面回采至86m，測站滯后工作面36m）增長趨勢趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值在14MPa；

（2）? 巷道收斂監(jiān)測結(jié)果

巷道走向各測點(diǎn)收斂反映：

（a）采空側(cè)幫在3#-4#區(qū)段內(nèi)，巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)少部分彎曲變形較為嚴(yán)重，但其余巷旁曲線柱支護(hù)效果良好，成功抵擋碎脹矸石涌入巷道；

（b）巷道頂?shù)装迨諗枯^為嚴(yán)重，尤其在5#-7#，頂板下沉量最大有180mm左右，底鼓量最大有550mm，留巷寬度總體保持在3300-4000mm之間，高度在1800-2400mm之間（主要是巷道底鼓比較嚴(yán)重）。

3?? 災(zāi)害防治情況

3.1一通三防

50107工作面采用Z型通風(fēng)方式，工作面風(fēng)流部分經(jīng)過采空區(qū)進(jìn)入回風(fēng)流，導(dǎo)致在工作面機(jī)尾處風(fēng)流變小，容易造成瓦斯積聚，工作面配風(fēng)過大，又會造成采空區(qū)漏風(fēng)加大，因此工作面計劃配風(fēng)600m3/min左右。

3.1.1采空區(qū)漏風(fēng)處理

在機(jī)頭、機(jī)尾架設(shè)置擋風(fēng)簾，擋風(fēng)簾緊貼機(jī)尾架并全部封閉支架側(cè)面，上部接頂，下部接底，每割一茬煤，掛一片風(fēng)筒布，風(fēng)筒布必須片片連接嚴(yán)密，隨著支架推進(jìn)不斷往前延伸。待100m留巷基本穩(wěn)定后，采用噴漿技術(shù)對留巷巷幫進(jìn)行封閉處理。

自工作面老頂初次來壓后，我們在50107進(jìn)風(fēng)巷巷口向里100m、工作面70#支架、工作溜機(jī)尾向外3-5m、09進(jìn)風(fēng)與老切眼貫通點(diǎn)向外20m處分別設(shè)置了測風(fēng)點(diǎn)，觀測周期為3-5天。由于采空區(qū)頂板垮落效果較好及采空側(cè)設(shè)置擋風(fēng)簾的原因，實(shí)測采空區(qū)漏風(fēng)量在36-50m3/min之間，瓦斯?jié)舛仍?/span>0.02-0.06%之間，一氧化碳濃度在0.25ppm左右，整體效果好于預(yù)期。

3.1.2瓦斯防治、防止自燃發(fā)火

巷道內(nèi)在正頭、巷口10m、切眼機(jī)尾老空側(cè)、切眼回風(fēng)流10m處、07回風(fēng)與09切眼交叉點(diǎn)各安設(shè)一個瓦斯探頭，隨著采面推進(jìn)中間每隔50m再安設(shè)一個瓦斯傳感器，不間斷測量巷道內(nèi)瓦斯情況，并由瓦檢員每班對巷道內(nèi)瓦斯情況進(jìn)行人工檢測2次。

在工作面機(jī)尾處設(shè)置全斷面噴霧一道，壓力不小于4MPa，確保噴霧水霧化后有良好的隨風(fēng)跟隨性；噴霧必須全天不間斷開啟，防止各種作業(yè)行為產(chǎn)生的揚(yáng)塵進(jìn)入采空區(qū)。回采期間采煤機(jī)割煤時頂煤必須割完，工作面遺煤必須清理干凈，盡量減少（避免）采空區(qū)遺煤。

盯面瓦檢員必須攜帶多種氣體檢測儀（四合一），每班對采空區(qū)上下隅角處的CO及溫度情況進(jìn)行檢測不少于兩次，發(fā)現(xiàn)異常立即匯報，由專業(yè)人員對異常情況進(jìn)行檢查分析，采取措施進(jìn)行處理。

3.1.3粉塵防治

??? 工作面割煤期間必須規(guī)范使用各轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧，皮帶聯(lián)動噴霧、支架噴霧及煤機(jī)內(nèi)外噴霧，具體要求：割煤前必須開啟煤機(jī)內(nèi)外噴霧，割煤期間必須正常使用所有噴霧（只開啟煤機(jī)下風(fēng)側(cè)支架噴霧，支架噴霧應(yīng)至少每5架開啟1架）；工作面割煤作業(yè)結(jié)束后必須對工作面及順槽的浮塵進(jìn)行徹底清理。

3.1.4? 防治（排）水

首先采用物探方法探測工作面范圍內(nèi)煤層底板不同深度地層的富水異常區(qū)和構(gòu)造異常區(qū)，并進(jìn)行鉆探驗證；采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆施工底板注漿鉆孔，通過注漿對煤層底板K2層段和奧灰頂板地層進(jìn)行注漿治理；注漿結(jié)束后進(jìn)行物探復(fù)測和鉆探驗證，需要補(bǔ)注時重新安排注漿。

其次，完善防排水系統(tǒng)。由于工作面整體是南高北低，緊挨1號支架處挖設(shè)集水坑安裝兩臺30kw及兩臺100kw水泵。正常涌水，則用30kw水泵排水，若涌水量增大，及時更換為100kw水泵進(jìn)行排水。在50107回風(fēng)巷距離工作面最近的低洼處安裝兩臺18.5kw水泵，經(jīng)Ф160管路排至50107回風(fēng)巷與50109切眼交叉點(diǎn)處水倉硐室內(nèi)；在50107回風(fēng)巷與50109切眼交叉點(diǎn)處水倉硐室內(nèi)安裝兩臺100kw水泵，經(jīng)Ф160管路排至501采區(qū)回風(fēng)上山巷道水溝內(nèi)。正?；夭善陂g，50107回風(fēng)巷兩臺18.5kw水泵隨工作面回采向里延伸。

4? 結(jié)論

切頂卸壓沿空留巷是董東礦與西安科技大學(xué)的合作項目，后被定為集團(tuán)公司科研項目。通過在50107綜采工作面進(jìn)行的124m切頂卸壓沿空留巷，證明了對于煤層頂板較為完整、構(gòu)造少、瓦斯涌出量小、采高在3.5m以下、頂?shù)装逅淮蟮墓ぷ髅孑^為適宜。

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