周立超，臧傳偉，張晨曦，謝 帥，席俊輝

(山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

傾斜煤層綜采沿空留巷技術(shù)探討與應(yīng)用

周立超，臧傳偉，張晨曦，謝 帥，席俊輝

(山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

針對(duì)長溝峪煤礦15槽2壁綜采工作面采用沿空留巷工藝所存在的巷道圍巖變形嚴(yán)重和支護(hù)體損壞的問題，提出采用切頂卸載技術(shù)。通過對(duì)錨索切頂和爆破切頂進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，結(jié)果顯示爆破切頂卸載技術(shù)在控制巷道變形、減少覆巖對(duì)巷旁支護(hù)體的壓力方面具有明顯的優(yōu)勢。研究成果在現(xiàn)場實(shí)際工程中成功實(shí)施，有效地控制了沿空留巷的圍巖穩(wěn)定性。

綜采；沿空留巷；切頂卸載；爆破切頂

Discussion and Application of Gob-side Entry Retaining in Fully-mechanized Caving Face with Inclined Coal Seam

沿空留巷是無煤柱開采的重要技術(shù)之一，有利于礦井安全生產(chǎn)和改善技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，符合綠色采礦、科學(xué)采礦的發(fā)展方向[1-4]。

沿空留巷在綜采工作面的應(yīng)用，具有巷道掘進(jìn)量少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、開采工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)，緩解了采掘接替矛盾，取消了孤島工作面及縮短搬家時(shí)間，提高了開采作業(yè)效率[5]。因此，隨著沿空留巷技術(shù)的發(fā)展，其在綜采工作面也得到了較好地應(yīng)用和發(fā)展。邱集煤礦采用新型高水材料構(gòu)筑巷旁充填體加錨栓、鋼帶沿空留巷技術(shù)取得了較好的效果[6]；城山煤礦 145工作面在巷道內(nèi)采取錨桿、鋼帶配錨索支護(hù)加編織袋碼墻方法進(jìn)行沿空留巷，取得了滿意的效果[7]；淮北岱河礦Ⅲ3215工作面機(jī)巷巷旁采用了工字鋼密集支柱及矸石(碎煤)帶聯(lián)合支護(hù)，取得了良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果[8]。

長溝峪煤礦隨著開采深度增加，巷道地應(yīng)力的增大，巷道處于復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中，巷道兩幫移近與底鼓量增加，巷道維護(hù)十分困難。如果巷旁支護(hù)更換為強(qiáng)度和可縮性大的支護(hù)材料，支護(hù)成本和支護(hù)工序的復(fù)雜性大大增加，既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)。因此，長溝峪煤礦安子采區(qū)北二北15槽2壁工作面采用更為經(jīng)濟(jì)有效的切頂卸載沿空留巷技術(shù)，通過改變留巷頂板的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減少巷道圍巖變形的效果。

楊譯：...who pass on the truth and dispel ignorance.[5]151

1 工程條件

平臺(tái)所采用的安川SGDV伺服器可以通過配套軟件讀出電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，采樣時(shí)間間隔為0.001 s，將采樣轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的電流值代入式(8)和式(9)計(jì)算能耗值，然后根據(jù)計(jì)算值做插值，可得電機(jī)輸入電能趨勢如圖6所示；用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表示機(jī)械功的式(10)，結(jié)果如圖7所示。從圖6和圖7中可以看出，以兩種能量參數(shù)為指標(biāo)的軌跡優(yōu)化結(jié)果相同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)值所得能耗趨勢圖可以看出軌跡能耗變化趨勢與仿真圖一致，則可以確定軌跡的最優(yōu)參數(shù)。

圖1 地層柱狀

1.2 采煤方法和工藝

15槽2壁鄰近采區(qū)開采情況：工作面上部一壁正在回采；下部三壁運(yùn)輸巷正在掘進(jìn)；右面未進(jìn)行采動(dòng)，左面-140m水平北二北3反眼上部15槽正在回采。采區(qū)準(zhǔn)備開采的15槽為單一煤層，開采程序?yàn)檠貎A向由上向下，沿走向從北向南的順序開采。工作面落煤利用采煤機(jī)螺旋滾筒截割落煤，運(yùn)煤采用SGB730/160型刮板輸送機(jī)。工作面采用ZJ3600/15/36型急傾斜支撐掩護(hù)式液壓支架支護(hù)工作面頂板，最大控頂距為4.94m，最小控頂距為4.34m，端面距0.34m。上下端頭使用單體柱加鉸接頂梁支護(hù)頂板。采用自然垮落法管理頂板，放頂步距為0.6m，即采空區(qū)頂板隨支架前移自行垮落充填。

2 切頂卸載沿空留巷支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 沿空留巷巷內(nèi)基本支護(hù)

研究表明，沿空留巷應(yīng)綜合考慮巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)的共同作用。沿空留巷要經(jīng)歷掘進(jìn)及2次采動(dòng)的強(qiáng)烈影響，沿空留巷圍巖具有變形量大、維護(hù)周期長、破壞范圍大的特點(diǎn)，如何提高圍巖強(qiáng)度，并正確選擇支護(hù)方式是保證留巷成功的關(guān)鍵。長溝峪煤礦根據(jù)留巷圍巖巖性情況，為保證留巷斷面滿足2次回采要求，確定15槽2壁采用錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梯+錨索+金屬摩擦支柱聯(lián)合支護(hù)方式。巷內(nèi)基本支護(hù)效果如圖2所示。

圖2 巷內(nèi)基本支護(hù)效果

獲獎(jiǎng)的這枚腕表是一枚計(jì)時(shí)碼表，不同的是，腕表的兩個(gè)碼表按鈕分別設(shè)置在了10點(diǎn)和2點(diǎn)鐘位置。日期也采用了中央指針指示，乍一看仿佛是一枚高復(fù)雜的雙追針計(jì)時(shí)碼表。

金屬錨桿：錨桿桿體采用φ18mm的螺紋鋼，錨桿長度1800mm，采用K2350型樹脂錨固劑(每眼1卷)。托盤為150mm×150mm，厚度6mm的蝶形托盤，錨桿鉆孔為φ28mm，錨桿眼深度1700mm。

還有顏真卿師父，大家覺得他很古板，書法課也很沒意思，除了描紅，就是描紅，依葫蘆畫瓢，又排在春日遲遲的下午，一般的弟子能逃課，就會(huì)逃課。找到理由是要去幫工部修機(jī)關(guān)啊，幫藏藥部曬個(gè)藥啊，幫圖部整理書籍啊，幫酒坊糖坊干活啊，為廚房撈魚摸蝦啊，心疼腦熱啊誰也免不了，自己去采藥配個(gè)方子什么的，實(shí)則是與心上人去逍遙林散個(gè)步，三星望月去看夕陽，晴晝海去摘花，落星湖去摸魚。

鋼筋梯：鋼筋梯用φ12mm鋼筋棍焊接而成，頂板支護(hù)鋼筋梯長度依巷道上寬而定，孔的規(guī)格為90mm×90mm。兩幫支護(hù)所用鋼筋梯長度視煤壁高度而定，孔的規(guī)格為90mm×90mm。

塑料網(wǎng)：煤壁松軟地帶使用樹脂錨桿加塑料網(wǎng)加鋼筋梯的聯(lián)合支護(hù)可有效防止煤壁片幫，塑料網(wǎng)規(guī)格為1000mm×2000mm，網(wǎng)孔不得大于50mm×50mm。

巷道頂板錨桿確定為每排6根，錨桿間、排距為1000mm×1000mm。

金屬網(wǎng)：金屬網(wǎng)用φ6mm鋼筋棍焊接而成的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔不得大于100mm×100mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為1000mm×2000mm。

開展高水平的專業(yè)建設(shè)，在培養(yǎng)目標(biāo)層面，最便捷的渠道和標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)非常明確。世界技能大賽下設(shè)六大類50多個(gè)競賽項(xiàng)目，不僅覆蓋傳統(tǒng)的制造業(yè)和服務(wù)業(yè)，也覆蓋先進(jìn)制造業(yè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、時(shí)尚與創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)，以及新技術(shù)、新技能。每個(gè)競賽項(xiàng)目都有一套完整并不斷發(fā)展完善的技能競賽標(biāo)準(zhǔn)和競賽命題的規(guī)則。這套技能標(biāo)準(zhǔn)來自企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐，緊跟產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)發(fā)展的時(shí)代趨勢。這套最前沿的競賽使用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)展職業(yè)教育和職業(yè)培訓(xùn)，具有重要的導(dǎo)向作用。除了世界技能大賽，我們國家和地方層面的技能大賽，也同樣能夠?yàn)樵盒ｉ_展專業(yè)建設(shè)提供來自行業(yè)發(fā)展最前沿最主流的技能和標(biāo)準(zhǔn)要求。

如遇到留巷巷道頂板破壞時(shí)，除保持加強(qiáng)支護(hù)與防溜矸措施外，在破壞頂板部位按間排距2000mm布置5000mm長的錨索，并掛金屬網(wǎng)。沿空留巷支護(hù)示意如圖3所示。

防溜矸措施：傾斜煤層沿空留巷支護(hù)應(yīng)考慮采空區(qū)冒落矸石下竄所帶來的危險(xiǎn)。密集支柱具備阻擋矸石下溜的情況，但為防止矸石下溜時(shí)沖擊支柱，選擇使用當(dāng)?shù)夭牧瞎嗄旧宰映衫潭ㄔ谥е坎煽諅?cè)，用于做緩沖作用并阻擋矸石溜入巷道。

超前支護(hù)：沿空巷道上幫側(cè)采用單體柱加柱帽支護(hù)，柱帽使用12號(hào)鐵絲綁在柱頭上，柱距4根/m；下幫側(cè)采用單體柱掛鉸接梁支護(hù)，一梁一柱式，正懸臂，單體柱打在鉸接梁的5，7牙上，排距1.2m；上下幫支柱行距2.0m，超前支護(hù)不少于25m；當(dāng)巷道頂板破碎時(shí)，在上下幫兩排單體柱之間補(bǔ)打帶帽點(diǎn)柱，柱帽使用12號(hào)鐵絲綁在柱頭上。

圖3 沿空留巷支護(hù)示意

2.3 切頂卸載技術(shù)方案

切頂卸載是指通過采取不同的技術(shù)措施將沿空留巷采空區(qū)側(cè)的頂板切落下來，以達(dá)到切斷采空區(qū)內(nèi)的懸頂和避免后期采空區(qū)來壓時(shí)對(duì)留巷穩(wěn)定性的影響。切頂卸載技術(shù)根據(jù)切頂措施的不同可分為被動(dòng)切頂和主動(dòng)切頂兩類[9]。被動(dòng)切頂是指在巷道頂板來壓時(shí)，巷旁支護(hù)體提供一個(gè)較大的切頂阻力，使采空區(qū)側(cè)的頂板切落下來；主動(dòng)切頂是指沿巷道采空區(qū)一側(cè)預(yù)先爆破預(yù)裂頂板，在礦山壓力作用下使頂板切落下來。根據(jù)長溝峪煤礦地質(zhì)條件及兩種切頂卸載技術(shù)原理，在巷內(nèi)基本支護(hù)相同的前提下，擬采用以下2種切頂卸載沿空留巷方案：

從理論分析的角度來看，2種切頂方案都能達(dá)到直接頂切落，減輕巷內(nèi)和巷旁的支護(hù)阻力，減輕巷道變形的效果。為進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可行性，針對(duì)長溝峪煤礦北二北15槽2壁的實(shí)際地質(zhì)條件、沿空留巷的巷道尺寸及巷道支護(hù)參數(shù)，采用離散單元程序UDEC進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

方案1：巷旁頂板錨索切頂，其屬于被動(dòng)切頂方法。即在15槽2壁工作面留巷巷道采空區(qū)側(cè)施工一排長錨索，在錨索切頂面上形成較大的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，使懸露的直接頂及時(shí)切落下來。根據(jù)留巷巷道在采動(dòng)影響下頂板破壞范圍與采場頂板冒落帶高度的計(jì)算以及錨索懸吊理論，選擇錨索長度6m較合適。

在電力調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建時(shí)，出于其多個(gè)監(jiān)控中心局域網(wǎng)并行特點(diǎn)的考慮，要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)支持全I(xiàn)P組網(wǎng)與多級(jí)組網(wǎng)，以此滿足電力各級(jí)部門對(duì)圖像監(jiān)控的不同需求，使得操作平臺(tái)的工作方式更貼近電力行業(yè)垂直管理模式和電力系統(tǒng)管理的實(shí)際需求。

方案2：巷旁爆破切頂，其屬于主動(dòng)切頂方法。即在留巷巷道上幫的頂板超前工作面施工預(yù)裂爆破孔，采用聚能爆破預(yù)裂技術(shù)[10]形成弱面，使采空區(qū)懸露頂板切落下來。預(yù)裂爆破深度，考慮頂板垮落后能夠完全充填采空區(qū)，經(jīng)計(jì)算選取炮孔深度6.5m。

切頂卸壓沿空留巷方案見圖4。

圖4 切頂卸壓沿空留巷方案

3）小麥生長中后期強(qiáng)降雨伴隨大風(fēng)天氣往往造成倒伏［8］。 2017年 4月 8～9日，襄陽市襄州區(qū)降雨量達(dá)到45 mm以上，并伴有大風(fēng)，最大風(fēng)力達(dá)到12.8 m／s。強(qiáng)降雨伴隨大風(fēng)天氣是造成此次小麥嚴(yán)重倒伏的主要外部因素。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

2.2 沿空留巷巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)

采用UDEC 4.0二維計(jì)算模型，初始模型如圖5所示。模型的長度120m，垂直高度70m。模型的兩側(cè)和底部邊界條件采用位移固定邊界，上部邊界施加垂直應(yīng)力為上覆巖層總重力21MPa，本構(gòu)關(guān)系采用莫爾-庫侖定律。模型中各主要巖層厚度、巖性以及力學(xué)參數(shù)見表2。

圖5 初始模型

巖石名稱密度/(kg·m-3)體積模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)礫巖29007.85.65.6045粉砂巖26004.63.66.844715槽煤層18002.21.62.8545粉砂巖27004.73.98.604614槽煤層18002.21.62.8545粉砂巖27004.73.98.6046

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

長溝峪煤礦安子采區(qū)北二北15槽2壁地面標(biāo)高+740～+860m，位于碴石溝以北160m范圍，地面沒有建筑物設(shè)施。工作面長183～199m，平均長191m。工作面寬81～89m，平均寬87m。煤層傾向在114～140°之間，傾角23～40°，平均32°，煤質(zhì)松軟易塌冒、片幫，并局部伴有煤炮現(xiàn)象。煤層厚度在0.8～3.8m之間，平均厚度2.5m，賦存狀態(tài)不穩(wěn)定。具體巖性如圖1所示。

熟練的口語會(huì)話能力對(duì)志愿者服務(wù)效果的重要性可謂是不言而喻。在受訪的104名志愿者中，僅有15.3%的同學(xué)對(duì)自己的英語口語會(huì)話能力表示滿意或十分滿意，而一般和不滿意則占據(jù)了84.6%。在訪談中，3名本科同學(xué)表示自己的聽說會(huì)話能力相對(duì)于閱讀識(shí)別能力較弱，只能進(jìn)行一些句式詞匯簡單的日常交流，長句或者大段的表達(dá)顯得十分吃力。另外兩名研究生志愿者認(rèn)為即使通過參加英語考試、兼職活動(dòng)積累了一些口語表達(dá)經(jīng)驗(yàn)，但要完全勝任與外國友人密切交流的英語服務(wù)崗位也有不小的困難。

在原巷道基本支護(hù)相同的前提下，模擬不同切頂方案的沿空留巷支護(hù)效果。第1種方案為不采取切頂措施的完整頂板；第2種方案采用UDEC中的錨索結(jié)構(gòu)單元模擬錨索切頂；第3種方案采用NULL模型模擬預(yù)裂爆破孔模擬爆破切頂。不同方案沿空留巷受力及變形量見表3，3種方案模擬留巷效果見圖6。

表3 不同方案沿空留巷受力及變形量

如圖6所示，當(dāng)不采取切頂措施時(shí)(見圖6(a))，在巷道采空區(qū)側(cè)的直接頂呈倒臺(tái)階式的懸臂梁狀態(tài)，所留巷頂板受懸臂梁的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，巷道頂板垂直壓力為24.3MPa，頂?shù)装逡平繛?53mm，巷道變形嚴(yán)重；當(dāng)采取錨索切頂卸壓時(shí)(見圖6(b))，頂?shù)装逡平颗c頂板垂直壓力分別降低了24.2%和7.4%，巷旁單體支柱與頂板錨索共同作用直接頂，所給切頂阻力并未達(dá)到完全切頂?shù)淖枇?，仍?huì)對(duì)所留巷道支護(hù)產(chǎn)生不利影響；當(dāng)采用預(yù)裂爆破孔卸壓時(shí)(見圖6(c))，頂?shù)装逡平颗c頂板垂直壓力分別降低了50.5%，20.9%，留巷采空區(qū)側(cè)直接頂沿預(yù)裂爆破形成的弱面完整切落下來，有利于巷道的維護(hù)。

圖6 3種方案模擬留巷效果

綜合上述分析，方案2和方案3都起到了一定的切頂卸載作用，通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析，方案3在控制巷道變形、減少覆巖對(duì)巷旁支護(hù)體的壓力方面具有明顯的優(yōu)勢。

4 工程實(shí)施效果分析

結(jié)合數(shù)值模擬分析，在長溝峪煤礦安子采區(qū)北二北15槽2壁留巷巷道實(shí)施巷旁密集支柱+預(yù)裂爆破孔切頂卸載的沿空留巷支護(hù)技術(shù)。加強(qiáng)支護(hù)單體密集支柱為4根/m，柱間距為0.25m。在留巷的上幫巷旁頂板距上幫0.2m處，間距0.6m與頂板成50°角爆破切頂，炮眼孔深為6.5m、裝藥系數(shù)為0.6，炮泥裝填系數(shù)為0.4。為了觀測巷道的變形量與頂板壓力，在回采工作面后方分別布置單體記錄儀和KY-82型頂板動(dòng)態(tài)儀，對(duì)留巷頂?shù)装逡平亢图訌?qiáng)支柱的承載力進(jìn)行觀測，以研究切頂卸載預(yù)裂爆破的應(yīng)用效果。如圖7所示，從觀測數(shù)據(jù)中可發(fā)現(xiàn)，巷道總體變形較小，沿空巷道總體變形為227.27mm，布置在工作面后方的3個(gè)測點(diǎn)在觀測期支柱壓力基本保持在15～28MPa之間，但壓力起伏比較大，在8月初出現(xiàn)過一次極端高點(diǎn)33MPa，而進(jìn)入8月份中、下旬后支柱受力很平穩(wěn)，基本保持在18～24MPa之間。工程實(shí)踐留巷效果如圖8所示。方案3在長溝峪煤礦成功實(shí)施，不但為礦井安全生產(chǎn)提供保障，同時(shí)也創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。多回收煤炭資源17kt以上，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益1124萬元以上。

圖7 沿空留巷圍巖變形及頂板壓力監(jiān)測

圖8 沿空留巷效果

5 結(jié) 論

通過對(duì)北京昊華能源股份有限公司長溝峪煤礦安子采區(qū)北二北15槽2壁傾斜煤層綜采工作面沿空留巷技術(shù)的探討與應(yīng)用，得出以下主要結(jié)論：

(1)運(yùn)用離散元數(shù)值模擬軟件UDEC對(duì)錨索切頂和爆破切頂進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過3種方案的留巷效果、頂?shù)装逡平亢晚敯宕怪眽毫Φ膶?duì)比，爆破切頂方案頂?shù)装逡平繛?24 mm，減少50.5%，頂板垂直壓力為19.4MPa，減少19.2%，在控制巷道變形方面具有明顯的優(yōu)勢。

鳴鍾擊鼓，遊行乾坤，收捕逆鬼，摧斬魔群。（《太上說玄天大聖真武本傳神咒妙經(jīng)注》卷四，《中華道藏》30/558）

(2)結(jié)合工程實(shí)際條件，確定爆破切頂技術(shù)方案：在留巷的上幫巷旁頂板距上幫0.2m處，間距0.6m與頂板成50°角爆破切頂，炮眼孔深為6.5m、裝藥系數(shù)為0.6，炮泥裝填系數(shù)為0.4。爆破切頂卸載技術(shù)在長溝峪煤礦安子采區(qū)北二北15槽2壁巷道留巷中成功實(shí)施。

(3)對(duì)巷道的圍巖變形量與頂板壓力進(jìn)行了監(jiān)測，沿空巷道總體變形較小，為227.27mm，支柱受力平穩(wěn)，基本保持在15～28MPa之間。爆破切頂有效地改善了圍巖應(yīng)力環(huán)境，為礦井安全生產(chǎn)提供了保障，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。多回收煤炭資源17kt以上，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益1124萬元以上。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

2016-05-24

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.017

周立超(1989-)，男，河北邢臺(tái)人，在讀研究生，研究方向?yàn)椴傻V工藝、礦山壓力與巖層控制等。

周立超，臧傳偉，張晨曦，等.傾斜煤層綜采沿空留巷技術(shù)探討與應(yīng)用[J].煤礦開采，2017，22(1)：73-76，35.

TD353

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1006-6225(2017)01-0073-04