馬俊生

(山西焦煤集團(tuán)公司 安監(jiān)局，山西 太原 030024)

店坪礦切頂卸壓無(wú)煤柱開(kāi)采設(shè)計(jì)方案研究

馬俊生

(山西焦煤集團(tuán)公司 安監(jiān)局，山西 太原 030024)

介紹了店坪煤礦5-200工作面的總體情況，根據(jù)預(yù)留巷道周?chē)牡刭|(zhì)條件，通過(guò)對(duì)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)切頂卸壓理論的研究，經(jīng)過(guò)一系列理論計(jì)算及方案論證，決定采用切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱技術(shù)開(kāi)采方案，并設(shè)計(jì)了切頂留巷頂板預(yù)裂爆破參數(shù)，提出了切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采設(shè)計(jì)方案；已在店坪煤礦5-200采煤工作面推廣應(yīng)用，取得了階段性的良好效果、較好的安全評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益。

切頂卸壓；沿空留巷；無(wú)煤柱開(kāi)采；預(yù)裂爆破

1 礦井5-200工作面概況

店坪煤礦位于山西省呂梁市方山縣大武鎮(zhèn)王家莊村一帶，行政區(qū)劃屬方山縣大武鎮(zhèn)管轄。井田面積13.530 2 km2，均為自燃煤層，屬于低瓦斯礦井，

工作面位于830水平二采區(qū)右翼，工作面東為5-204采空區(qū)，西為830系統(tǒng)大巷，南為實(shí)體煤，北為井田邊界。工作面上部已全部開(kāi)采，上部采空區(qū)無(wú)積水。工作面面長(zhǎng)220 m，采用長(zhǎng)壁式采煤方法，綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。5-200工作面采用110工法自動(dòng)成巷技術(shù)，設(shè)計(jì)留巷巷道為5-2002回風(fēng)巷，設(shè)計(jì)留巷長(zhǎng)度為1 088 m. 工作面布置示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 5-200工作面切頂卸壓沿空成巷無(wú)煤柱開(kāi)采施工位置示意圖

2 方案設(shè)計(jì)論證

采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護(hù)”為主體的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)預(yù)裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應(yīng)力傳遞，減弱巷道頂板壓力，且預(yù)裂爆破能夠很好地保護(hù)巷道頂板完整性。利用恒阻大變形錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，控制頂板下沉，使所留巷道圍巖能夠最大限度地發(fā)揮自身承載作用，減少巷道變形，保證留巷效果。工作面推進(jìn)過(guò)程中，預(yù)留巷道會(huì)受到動(dòng)壓影響，需要對(duì)所留巷道采取相應(yīng)的支護(hù)措施，因此提出以下設(shè)計(jì)方案：

2.1 恒阻大變形錨索設(shè)計(jì)方案

為了保證切頂過(guò)程和周期來(lái)壓期間巷道的穩(wěn)定性，在對(duì)巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂切頂前采用恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)加固。恒阻大變形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幫500 mm，排距1 000 mm；第二列恒阻錨索在巷道中間布置，第二列恒阻錨索排距為2 000 mm. 第一列恒阻錨索相鄰錨索之間用W鋼帶連接(W鋼帶平行于巷道走向)。

考慮到切縫參數(shù)及巷道原設(shè)計(jì)支護(hù)方式，恒阻大變形錨索直徑取為21.8 mm，長(zhǎng)度取為10.5 m，恒阻器長(zhǎng)500 mm，外徑72 mm，恒阻值為33±2 t，預(yù)緊力不小于28 t.

2.2 頂板預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)方案

采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，將特定規(guī)格的炸藥裝在兩個(gè)設(shè)定方向有聚能效應(yīng)的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設(shè)定方向上均勻受壓，而在設(shè)定向上集中受拉，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巖石按設(shè)定方向拉裂成型，從而實(shí)現(xiàn)被爆破體按設(shè)定方向張拉斷裂成型。

該爆破技術(shù)是在對(duì)比研究多種聚能爆破和定向爆破方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型聚能爆破技術(shù)，施工工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用時(shí)只需要在預(yù)裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向?qū)?yīng)于巖體預(yù)裂方向。爆轟產(chǎn)物將在兩個(gè)設(shè)定方向上形成聚能流，并產(chǎn)生集中張拉應(yīng)力，使預(yù)裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預(yù)裂面。由于鉆孔間的巖石是斷裂的，爆破炸藥單耗將大大下降，同時(shí)由于聚能裝置對(duì)圍巖的保護(hù)，鉆孔周邊巖體所受損傷也大大降低，可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)預(yù)裂的同時(shí)又可以保護(hù)巷道頂板。預(yù)裂切縫深度(H縫)臨界設(shè)計(jì)公式如下：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

式中：

ΔH1—頂板下沉量，m；

ΔH2—底鼓量，m；

K—碎脹系數(shù)，取1.3～1.5.

根據(jù)頂板巖性，K取1.4，工作面采高取最大值3.1 m時(shí)，設(shè)計(jì)切縫深度為8.0 m. 切縫孔布置在巷幫與頂板夾角處，與鉛垂線夾角為15°，切縫孔間距為500 mm. 炮孔試驗(yàn)參數(shù)及切縫布置見(jiàn)圖2.

圖2 炮孔參數(shù)試驗(yàn)方案圖

首先根據(jù)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行單孔試驗(yàn)，最終確定一次爆破孔數(shù)以及爆破方式等。

雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，管長(zhǎng)1 500 mm. 聚能爆破采用三級(jí)煤礦乳化炸藥，擬采用炸藥規(guī)格為d35 mm×200 mm/卷，爆破孔口采用炮泥封孔。具體裝藥參數(shù)需根據(jù)以下試驗(yàn)方案通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

由于切頂成巷后加設(shè)支護(hù)，故隨工作面推進(jìn)工作面支架移動(dòng)后不容易跨落，無(wú)法形成較為完整新幫，對(duì)工作面防滅火造成較大影響，故在此位置需進(jìn)行特殊的切頂及相關(guān)設(shè)計(jì)。擬采取通過(guò)降低工作面支架等措施對(duì)原有支護(hù)錨桿(索)進(jìn)行退桿(索)處理，并在運(yùn)輸巷切眼位置頂板隔500 mm布置切縫孔，角度15°，鉆頭直徑為48 mm，深度8 000 mm，與運(yùn)輸巷其他位置一致。采用前述雙向聚能管采用特制聚能管、藥卷及封泥進(jìn)行爆破作業(yè)。

3 施工過(guò)程設(shè)計(jì)

5-2002工作面回風(fēng)巷恒阻錨索加固及切頂缷壓總體施工過(guò)程如下：

第一步：恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)。

第二步：頂板預(yù)裂爆破鉆孔施工及頂板預(yù)裂爆破施工，在保證恒阻大變形錨索超前加固≥20 m的前提下，按工作面推進(jìn)方向，對(duì)5-2002回風(fēng)巷進(jìn)行爆破預(yù)裂切縫，形成切頂缷壓預(yù)裂切縫線，一次性在整個(gè)巷道完成爆破預(yù)裂切縫。

第三步：超后檔桿支護(hù)，待工作面推過(guò)后，及時(shí)在端頭支架后方進(jìn)行檔桿支護(hù)，及時(shí)設(shè)置門(mén)式支架；在靠近采空區(qū)側(cè)每?jī)筛鶈误w之間鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并布置一根U型鋼可縮支架，并使用木楔將其緊固；單體及U型鋼可縮支架必須加設(shè)柱靴增加摩擦力，必要時(shí)頂板加木楔，防止支柱及U型鋼可縮支架滑動(dòng)。為防止漏風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生，擬采取在鋼筋網(wǎng)與工字鋼之間鋪設(shè)風(fēng)筒布，高度取3.4 m，上下各超出20 cm，超出部分分別固定到頂?shù)装?，并進(jìn)行有效封閉。

第四步：噴漿，待頂板垮落并穩(wěn)定后，對(duì)垮落不充分的地方進(jìn)行填充，整理巷道形狀滿足使用要求，并進(jìn)行噴漿，保證巷道穩(wěn)定，噴漿厚度不小于100 mm，混凝土強(qiáng)度達(dá)到C20以上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，為防止混凝土開(kāi)裂，可使用鋼纖維混凝土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，保證穩(wěn)定區(qū)有效封閉采空區(qū)。

4 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)論證

4.1 測(cè)站布置方案

距5-2002工作面回風(fēng)巷50 m范圍內(nèi)，每5架布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，工作面其余位置每13架布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。5-2002回風(fēng)巷留巷段內(nèi)共布置28個(gè)測(cè)站，每50 m布置一個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站由1套頂板離層監(jiān)測(cè)儀、1套恒阻錨索受力監(jiān)測(cè)儀及一套單體支柱受力及縮量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，頂?shù)装逡平勘O(jiān)測(cè)設(shè)備根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行布置。

4.2 巷道頂?shù)装逡平勘O(jiān)測(cè)

用收斂?jī)x分別測(cè)量各測(cè)點(diǎn)到基準(zhǔn)點(diǎn)的距離，兩測(cè)點(diǎn)相鄰兩次測(cè)試數(shù)據(jù)的差值即為兩點(diǎn)相對(duì)移近，以此累加相鄰兩次測(cè)試數(shù)據(jù)的差值即可得兩點(diǎn)相對(duì)總移近量，測(cè)量精度0.1 mm.

4.3 巷道頂板離層監(jiān)測(cè)

在測(cè)站恒阻錨索上安裝頂板離層指示儀(見(jiàn)圖3)，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控方式在線監(jiān)測(cè)。

圖3 頂板離層儀布置示意圖

4.4 錨索受力及變形量監(jiān)測(cè)

采用錨索拉力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)測(cè)站安裝2個(gè)錨索測(cè)力計(jì)，便于時(shí)實(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)錨索載荷變化情況，分析錨索工作狀態(tài)，為調(diào)整和修改錨索支護(hù)參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。

在每個(gè)NPR錨索測(cè)站斷面上安裝1套錨索變形量監(jiān)測(cè)儀，便于時(shí)實(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)NPR錨索變形量，分析錨索工作狀態(tài)，為調(diào)整和修改錨索支護(hù)參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。

4.5 門(mén)式支架、單體液壓支柱受力及縮量監(jiān)測(cè)

1) 門(mén)式支架、單體支柱受力監(jiān)測(cè)。

在與恒阻錨索位置對(duì)應(yīng)的門(mén)式支架、單體上安裝壓力表，架后臨時(shí)支護(hù)每50 m安裝一組，定時(shí)記錄單體支柱的壓力變化，并與恒阻錨索的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可分析出每個(gè)階段哪種支護(hù)體在起主導(dǎo)作用。

2) 門(mén)式支架、單體支柱縮量監(jiān)測(cè)。

測(cè)門(mén)式支架、單體支柱壓力的同時(shí)，運(yùn)用鋼尺測(cè)量單體支柱的壓縮情況，主要觀察兩次測(cè)量之間的差值，測(cè)量結(jié)果與恒阻錨索的縮進(jìn)情況進(jìn)行對(duì)比分析。

4.6 工作面液壓支架壓力監(jiān)測(cè)

支架壓力監(jiān)測(cè)主要由礦用本安型壓力傳感器、礦用本安型壓力監(jiān)測(cè)分站、礦用本安型壓力監(jiān)測(cè)主站、礦壓信息傳輸接口、圍巖動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)組成。通過(guò)壓力傳感器、信息傳輸接口將支架壓力值傳輸至壓力監(jiān)測(cè)分站，壓力監(jiān)測(cè)分站將數(shù)據(jù)傳輸至壓力檢測(cè)主站，圍巖動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)主站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

5 效益分析

根據(jù)2015年綜采掘進(jìn)煤巷測(cè)算成本5 508元/m，在5-202工作面利用5-200回風(fēng)巷，可節(jié)約743.58萬(wàn)元。

店坪礦在5-200工作面使用切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，可多回采12.36萬(wàn)t煤柱，獲得2 423.68萬(wàn)元的效益。

6 存在的問(wèn)題

1) 《5-200工作面切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)設(shè)計(jì)方案》缺少對(duì)保留巷道通風(fēng)防滅火設(shè)計(jì)，及采取的措施。

2) 該礦擬使用尼龍柱帽代替π梁支護(hù)頂板，需中國(guó)礦業(yè)大學(xué)陜西創(chuàng)元礦業(yè)有限公司對(duì)設(shè)計(jì)變更研討論證。

7 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)采煤工作面的切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)設(shè)計(jì)方案的論證研究，并在店坪礦5-200采煤工作面應(yīng)用后，經(jīng)濟(jì)效益可觀，可減少2 423.68萬(wàn)元的投入，噸煤成本明顯降低；該工作面推進(jìn)一段距離后，現(xiàn)場(chǎng)沿空留巷巷道頂板完整，壓力明顯減小，無(wú)底鼓和煤幫變形現(xiàn)象，也無(wú)漏風(fēng)現(xiàn)象，切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)設(shè)計(jì)方案取得階段性成果，待采煤工作面回采結(jié)束后，效果評(píng)價(jià)成功后，此項(xiàng)技術(shù)可大面積推廣應(yīng)用。

[1] 錢(qián)鳴交.20年來(lái)采場(chǎng)圍巖控制理論與實(shí)踐回顧[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2000,29(1):1-4.

[2] 何現(xiàn)平，宋艷華.沿空留巷巷道支護(hù)技術(shù)[J].河北煤炭，2010(3):29-31.

Study on Design Scheme of No-pillar Mining for Pressure Relief with Roof Cutting in Dianping Coal Mine

MA Junsheng

This paper introduces the general situation of No.5-200 working face in Dianping Coal Mine. Based on the geological conditions around the reserved roadway, studies the theory of pressure relief with roof cutting originated by the China Mining University (Beijing), after a series of theoretical calculations and demonstration, It is decided to adopt the design scheme of gob side entry retaining, of pressure relief with roof cutting at No-pillar mining condition, and the parameters for the pre-splitting blasting of the roof are also designed, the design scheme has being implemented smoothly in No.5-200 working face in DianPing coalmine with comprehensive qualified results.

Pressure relief with roof cutting; Gob side entry retaining; No pillar mining; Pre-splitting blasting

2016-08-15

馬俊生(1968—)，男，山西祁縣人，1990年畢業(yè)于大同煤校，工程師，主要從事煤礦安全監(jiān)察及應(yīng)急救援工作

(E-mail)13994237918@163.com

TD823.4+8

B

1672-0652(2016)10-0041-04