唐文勝　張國鋒　劉小強(qiáng)　張世源

摘要：為解決小河嘴煤礦留煤垛護(hù)巷礦壓顯現(xiàn)劇烈的難題，文章對(duì)工作面回采后巷道頂板支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，采用FLAC 2D數(shù)值軟件模擬了普通爆破與定向聚能爆破效果，然后對(duì)小河嘴礦2012工作面風(fēng)巷進(jìn)行了巷旁留煤垛護(hù)巷與卸壓短臂梁沿空留巷模擬對(duì)比研究，提出了小河嘴煤礦2018工作面運(yùn)輸巷卸壓短臂梁沿空留巷工藝。

關(guān)鍵詞：異形斷面；聚能爆破；卸壓短臂梁；沿空留巷；工作面回采；巷道頂板支承 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD323 文章編號(hào)：1009-2374（2016）09-0162-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.080

1 概述

小河嘴煤礦開采深度為500～600m，該水平煤層均為近距離傾斜煤層，兩主采煤層間距平均為0.66～1.93m。其中2014工作面在煤層回采過程中采用留煤垛護(hù)巷沿空留巷方式，工作面回采過后，用矸石砌筑封堵豁口，減少漏風(fēng)。采用該方式留巷后煤墩及矸石砂漿帶出現(xiàn)巷旁充填體壓裂、片幫、底鼓等現(xiàn)象，但采用留設(shè)煤墩支護(hù)方式由于工作面回采后頂板垮落不充分，懸頂嚴(yán)重，頂板形成長(zhǎng)臂梁結(jié)構(gòu)，以煤垛和矸石砂漿帶及巷道實(shí)體煤幫作為支承體，上覆巖層重力在煤垛和矸石砂漿帶形成應(yīng)力集中，并在巷道周圍形成劇烈的礦山壓力顯現(xiàn)，巷道填充體發(fā)生破裂，頂板破碎，底臌和片幫嚴(yán)重，多處錨索出現(xiàn)失效的現(xiàn)象，需進(jìn)行二次返修，但返修工程量大、成本高，在當(dāng)前煤炭經(jīng)濟(jì)不景氣的情況下，極為拖累企業(yè)效益。因此需要通過一定的技術(shù)手段將頂板長(zhǎng)臂梁變?yōu)槎虘冶哿海∠锱灾С畜w，以期消除巷道周邊應(yīng)力集中，實(shí)現(xiàn)巷道頂板、兩幫及底板卸壓。需要進(jìn)行近距離大傾角煤層切頂卸壓沿空留巷技術(shù)實(shí)踐，以期實(shí)現(xiàn)無巷旁充填沿空留巷。卸壓短臂梁沿空留巷是在本工作面回采同時(shí)，采用定向預(yù)裂爆破切頂、巷內(nèi)支護(hù)等技術(shù)手段，沿空自動(dòng)成巷。因此，本文用FLAC 2D數(shù)值模擬軟件，研究普通爆破與定向預(yù)裂聚能爆破效果，卸壓短臂梁聚能爆破孔最佳深度，研究分別采用留煤垛護(hù)巷及卸壓短臂梁沿空留巷一系列技術(shù)手段對(duì)工作面回采礦壓分布影響、其圍巖在本工作面回采時(shí)受采動(dòng)及老頂周期來壓等影響因素下變形與穩(wěn)定情況，得出留煤垛護(hù)巷及切頂卸壓自動(dòng)成巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并進(jìn)行模擬結(jié)果對(duì)比分析，提出2012工作面切頂短臂梁設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 礦井概況

小河嘴煤礦卸壓短臂梁留巷位于201采區(qū)南翼2012工作面。北以工作面保安煤柱為界。南以開切眼為界，走向長(zhǎng)為754m，傾向長(zhǎng)為114m，煤層平均傾角為25°。工作面煤層平均厚度為0.35～0.57m，煤層采高為0.5m，直接頂為灰色粉砂質(zhì)泥巖，局部存在偽頂，厚度為5.2m，底板為深灰色泥質(zhì)砂巖，節(jié)理發(fā)育，厚度為5.46m。2012工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤法。工作面初次來壓步距為25～30m，工作面周期來壓不顯現(xiàn)。

2.2 切頂支護(hù)數(shù)值模擬

2.2.1 常規(guī)爆破與雙向聚能爆破效果模擬。采用FLAC 2D數(shù)值模擬方法進(jìn)行常規(guī)爆破與雙向聚能爆破效果模擬分析。常規(guī)爆破和聚能爆破的破巖效果的數(shù)值模擬結(jié)果。相比常規(guī)爆破，聚能爆破破巖能力提高50%以上，同時(shí)抑制其他方向裂紋的擴(kuò)展，破碎圈范圍減小30%以上，可有效減少圍巖的爆破損傷，提高巷道成型質(zhì)量。

2.2.2 卸壓短臂梁聚能爆破孔合理深度模擬。由FLAC 2D數(shù)值模擬切縫深度模擬結(jié)果可知切縫深度為4m時(shí)，頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏孔钚。苄纹茐膮^(qū)區(qū)范圍最小，塑形破壞程度最低，應(yīng)力集中程度最低，短臂梁卸壓效果最明顯，因此最佳切縫深度為4m。

2.2.3 留煤垛護(hù)巷方式與切頂留巷方式模擬。對(duì)2014工作面留煤垛護(hù)巷方式和2012工作面卸壓短臂梁留巷方式進(jìn)行對(duì)比模擬分析。巷道幾何模型、地質(zhì)界面的生成均在FLAC 2D中形成，根據(jù)2118工作面煤巖柱狀圖，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出。

留煤垛護(hù)巷模擬效果：由于巷道頂板垮落后形成長(zhǎng)臂梁支承結(jié)構(gòu)，有塑性變形可以看出異形斷面巷道高幫側(cè)頂板出現(xiàn)拉伸和剪切破壞，造成巷道頂板垮落下沉，未垮落的已形成擠壓外鼓，高幫肩部煤垛及矸石砂漿構(gòu)筑的充填體來壓明顯，破壞嚴(yán)重，巷道高幫沿空側(cè)片幫鼓出嚴(yán)重，變形量大，巷道低幫出現(xiàn)應(yīng)力集中嚴(yán)重，極易出現(xiàn)片幫、炸幫等破壞現(xiàn)象。卸壓短臂梁沿空留巷模擬效果：通過在巷道頂板及表面布置測(cè)點(diǎn)結(jié)合數(shù)值模擬垂直位移對(duì)2012工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行位移模擬觀測(cè)，結(jié)果顯示頂板淺部最大離層為15cm，深部最大離層為12cm；巷道頂板表面最大變形量為44cm，平均為13cm；兩幫表面測(cè)點(diǎn)移近量為28cm。由于巷道頂板垮落后形成短臂梁支承結(jié)構(gòu)，可以看出巷道頂板垮落下沉量明顯減小、表面剪切拉伸變形破壞減弱、高幫片幫現(xiàn)象消失。

3 工程應(yīng)用

3.1 切頂卸壓沿空留巷工藝

該技術(shù)的關(guān)鍵步驟是采用恒阻大變形錨索，卸壓短臂梁超前預(yù)裂爆破，采空側(cè)單體支護(hù)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及得出的巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，設(shè)計(jì)2012工作面運(yùn)輸巷沿空留巷設(shè)計(jì)參數(shù)。運(yùn)輸巷巷道斷面為異形斷面：下寬為3.0m，巷道中高為2.5m。支護(hù)方式為錨桿+恒阻大變形錨索支護(hù)+鋼筋梯+鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)形式。

3.1.1 切縫爆破參數(shù)：（1）超前工作面20m進(jìn)行預(yù)裂爆破，具體參數(shù)為炮孔距煤壁為200mm，炮孔間距為600mm，炮孔深度為4m，傾角與垂線成20°傾向采空區(qū)；（2）聚能管長(zhǎng)度為1m，內(nèi)徑為35mm，外徑為42mm，聚能孔間距為4mm，每孔安裝兩根聚能管；（3）炸藥采用煤礦用三級(jí)水膠炸藥，炸藥采用空氣間隔裝藥，裝藥形式為“3+3”方式，每根聚能管裝3根炸藥，采用黃泥封孔，封孔長(zhǎng)度不得小于1.5m；（4）采用50mm鉆頭一次性成孔，炮孔要求筆直，有利于聚能管安裝，炮孔施工時(shí)要嚴(yán)格控制炮孔的傾斜角度，鉆孔完成后需進(jìn)行炮孔傾斜角度和炮孔平直度評(píng)估，保證爆破能量沿著巷道方向進(jìn)行。

3.1.2 錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)。在原有支護(hù)基礎(chǔ)上，補(bǔ)打恒阻錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)：（1）錨索L6300mm×Φ15.24mm，錨固劑采用中速藥卷，藥卷數(shù)量不得少于3根，采用300mm×300mm托盤，厚度10mm，中間留設(shè)60mm孔；（2）巷道布置雙排錨索，采空區(qū)側(cè)錨索排距為1.6m，巷道中央錨索排距為2.4m。

3.1.3 卸壓短臂梁動(dòng)壓支護(hù)參數(shù)：（1）超前工作面20m范圍內(nèi)用HDJA-1000金屬鉸梁配合DZ18-25/80單體液壓支柱加強(qiáng)支護(hù)，設(shè)置雙排單體支柱，間排距為1m×1m；（2）工作面后20m內(nèi)，采用加密單體支護(hù)支柱方式支護(hù)，共設(shè)置3排單體支柱，單體支柱間距為1m。采空側(cè)單體支柱間距為500mm，單體支柱之間加設(shè)工字鋼，同時(shí)在單體支柱外側(cè)鋪設(shè)方形鋼筋網(wǎng)用于擋矸，單體柱采用“兩柱一梁”形式，鋼梁為1.2m長(zhǎng)鉸接梁，其余兩排單體排距為1m；（3）液壓?jiǎn)误w支柱的初撐力不得小于25MPa。

3.2 切頂卸壓沿空留巷效果

通過對(duì)頂板離層和巷道變形觀測(cè)顯示，頂板最大離層量為17cm，頂板局部發(fā)生破碎，但最大沉降量為42cm，平均僅為14cm；巷道幫部移近量為21cm。工作面推過40m以后，巷道變形基本穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，較好地揭示了切頂短臂梁巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。巷道斷面較為穩(wěn)定，斷面高度1.7m，可以行人，能滿足Y型通風(fēng)需要。

4 結(jié)語

小河嘴煤礦采用卸壓短臂梁留巷技術(shù)取得顯著效果：（1）改變通風(fēng)方式，由原來U型通風(fēng)改為Y型通風(fēng)，避免了由于煤柱留設(shè)造成瓦斯突出，降低上隅角瓦斯超限的風(fēng)險(xiǎn)；（2）由于卸壓短臂梁技術(shù)為無煤柱開采，減少由于煤柱留設(shè)造成的應(yīng)力集中，巷道變形小，保持巷道穩(wěn)定，減少了底臌、頂板破碎等情況，減少二次返修，利于安全生產(chǎn)，具有很好的社會(huì)效益；（3）返修量小，且降低返修成本，同時(shí)避免返修期間窩工情況，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，由于無煤柱開采減少煤炭資源的浪費(fèi)，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）