何文帥，黨 輝，梁思哲，李 磊

(1.陜西瑞能煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 延安 727307；2.陜西秦安煤礦安全評(píng)價(jià)事務(wù)有限公司，陜西 西安 710001)

0 引言

黃陵礦業(yè)瑞能煤業(yè)公司于2017年6月22日開(kāi)始實(shí)施切頂卸壓自動(dòng)成巷開(kāi)采技術(shù)，并率先在117綜采工作面進(jìn)行試驗(yàn)與應(yīng)用。截至2019年5月，累計(jì)完成留巷2 100 m，其中117綜采工作面留設(shè)巷道已完成下區(qū)段115綜采工作面回采服務(wù)工作，115綜采工作面留設(shè)巷道已為下區(qū)段113綜采工作面服務(wù)560 m，113綜采工作面目前已留巷180 m。

1 切頂卸壓自動(dòng)成巷設(shè)計(jì)

1.1 工程背景

1.1.1 工作面概況

117綜采工作面開(kāi)采煤層為2號(hào)煤層，工作面埋深65～260 m，自117工作面開(kāi)切眼至950運(yùn)輸大巷，煤厚由1.0 m逐漸變?yōu)?.0 m，平均1.45 m，工作面最低采高1.6 m，超過(guò)1.6 m煤層一次采全高，煤層傾角2°～5°，平均3°，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，屬自燃煤層，順槽長(zhǎng)度約1 026 m，工作面回采長(zhǎng)度為980 m，工作面長(zhǎng)151 m。頂板以細(xì)粒砂巖為主，厚度9.3～11.07 m，灰白色夾薄層泥巖。工作面直接頂板為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚度0.8～2.24 m，穩(wěn)定性相對(duì)較差，受采動(dòng)影響易破碎。底板以泥巖為主，厚度0～2.17 m，局部夾根土巖，厚度0～0.97 m，分布于工作面開(kāi)口局部段。

1.1.2 支護(hù)情況

117工作面進(jìn)風(fēng)巷巷道斷面為矩形，掘進(jìn)寬度為4.0 m，掘進(jìn)高度為2.5 m，凈斷面積為10 m2。頂板采用“錨網(wǎng)+錨索梁”支護(hù)方式作為永久支護(hù)。錨桿采用規(guī)格為φ20 mm×2 200 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，布置方式采用“5-5”矩形布置，間排距為800 mm×800 mm；錨固方式采用2節(jié)樹(shù)脂藥卷端頭錨固，樹(shù)脂藥卷分別為MSK2360與MSCK2335型；鋼筋網(wǎng)采用規(guī)格為0.9 m×3.4 m、直徑為6 mm的鋼筋焊接網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)搭接寬度為50 mm。錨索采用φ15.24 mm×8 300 mm高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，布置方式采用“2-2”布置，間排距為1 600 mm×2 400 mm，錨固方式采用三節(jié)MSCK2360樹(shù)脂藥卷端錨；錨索梁采用14#槽鋼，長(zhǎng)度為3 000 mm。巷道兩幫用“錨網(wǎng)+梯子梁”作為永久支護(hù)，布置方式均為“3-3”矩形布置；巷道兩幫錨桿采用規(guī)格為φ18 mm×1 850 mm玻璃鋼錨桿，鋪設(shè)規(guī)格為2.4 m×5.4 m的塑料編織網(wǎng)；兩幫錨桿間排距均為800 mm×1 000 mm，錨固方式采用兩節(jié)MSCK2335樹(shù)脂藥卷端錨，原巷道支護(hù)如圖1所示。

圖1 117工作面進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)斷面

1.2 切頂卸壓自動(dòng)成巷設(shè)計(jì)

1.2.1 恒阻大變形錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

為保證切頂過(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加強(qiáng)支護(hù)[7-10]。恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，共布設(shè)2列，近實(shí)體煤側(cè)排距2 400 mm，距巷中線(xiàn)400 mm；沿空側(cè)排距800 mm，沿空側(cè)恒阻錨索距巷幫500 mm。恒阻大變形錨索直徑取為21.8 mm，根據(jù)切縫參數(shù)，鋼絞線(xiàn)長(zhǎng)度均取8.3 m，恒阻器長(zhǎng)500 mm，外徑79 mm，恒阻值為33±2 t，預(yù)緊力不小于25 t。

文中所用的資料為中國(guó)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)公布的2015～2018采暖季西安市空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）以及該時(shí)間段大氣主要污染物（PM2.5、SO2、PM10、NO2、O3）月平均質(zhì)量濃度值。每月陰、晴天等天氣狀況由天氣網(wǎng)查詢(xún)統(tǒng)計(jì)得到。每月大氣主要污染物月平均質(zhì)量濃度值由13個(gè)監(jiān)測(cè)站取算術(shù)平均值求得，主要參數(shù)有溫度、濕度、主要污染物月平均質(zhì)量濃度值等。

1.2.2 頂板預(yù)裂切縫參數(shù)設(shè)計(jì)

參數(shù)計(jì)算：切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)頂板預(yù)裂采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)將巷道頂板與采空區(qū)頂板預(yù)裂切縫，切斷二者之間的應(yīng)力傳遞[11-14]。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(xiàn)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)公式為

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(1)

式中，ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為采空區(qū)頂板巖層碎脹系數(shù)，一般為1.3～1.5。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于類(lèi)似117工作面復(fù)合頂板，初步計(jì)算時(shí)K可取1.34。117工作面最小采高1.6 m，最大采高2.2 m。通過(guò)前述數(shù)值模擬分析，對(duì)于一定采高的工作面，切頂高度的增加可有效減弱巷道圍巖應(yīng)力集中，對(duì)于一定切頂高度的工作面，采高越小，巷道圍巖壓力將相應(yīng)減小。因此，對(duì)于117工作面，計(jì)算切頂高度時(shí)均按最大采高進(jìn)行設(shè)計(jì)，即2.2 m。在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，根據(jù)上述切頂高度計(jì)算公式，可得出計(jì)算切頂高度約6.47 m。

試驗(yàn)參數(shù)及切縫布置：根據(jù)工作面數(shù)值分析結(jié)果，同時(shí)考慮到施工的便捷性，取切頂高度為6.0 m，切縫線(xiàn)與鉛垂線(xiàn)夾角10°，切縫孔距離117工作面煤壁200 mm，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，考慮到切縫施工的經(jīng)濟(jì)性，切縫孔間距初步設(shè)計(jì)為500 mm。炮孔試驗(yàn)參數(shù)及切縫布置如圖2和圖3所示。

圖2 炮孔參數(shù)試驗(yàn)布置

圖3 117工作面進(jìn)風(fēng)巷頂板切縫設(shè)計(jì)

1.2.3 架后巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

工作面劃分：工作面推進(jìn)過(guò)程中，不同位置巷道受采動(dòng)影響不同。工作面超前段會(huì)受到超前壓力的影響，工作面開(kāi)采后，頂板開(kāi)采垮落，且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，因此距工作面較近的架后區(qū)域不僅需要進(jìn)行頂板支護(hù)，還需進(jìn)行擋矸支護(hù)。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)巷道距工作面較遠(yuǎn)時(shí)，頂板運(yùn)動(dòng)基本會(huì)趨于穩(wěn)定，此時(shí)可將架后臨時(shí)支護(hù)的設(shè)備撤掉，只進(jìn)行擋矸支護(hù)即可。根據(jù)以往現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，工程實(shí)施前暫先將工作面附近劃分為超前支護(hù)區(qū)(工作面前方20 m)、超后臨時(shí)支護(hù)區(qū)(架后0～200 m)和成巷穩(wěn)定區(qū)(架后200 m之后)，不同分區(qū)采取不同的支護(hù)措施，分區(qū)如圖4所示。

圖4 巷道不同位置臨時(shí)支護(hù)分區(qū)

超前支護(hù)區(qū)(煤壁前方0～20 m)：此段巷道位于工作面超前采動(dòng)影響區(qū)，需要超前加強(qiáng)支護(hù)。結(jié)合工作面現(xiàn)有設(shè)備條件，超前支護(hù)仍采用原支護(hù)方式的單體液壓支柱進(jìn)行支護(hù)。

超后臨時(shí)支護(hù)區(qū)(架后0～200 m)：此段巷道位于工作面超后影響區(qū)，受動(dòng)壓影響明顯，巷道頂板壓力較大根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，設(shè)計(jì)U型鋼+鋼筋網(wǎng)+單體液壓支柱支護(hù)。架后0～200 m巷中采用單體液壓支柱+花邊梁進(jìn)行頂板加強(qiáng)支護(hù)，間排距800 mm×800 mm。巷旁采用U型鋼+鋼筋網(wǎng)+單體液壓支柱支護(hù)的支護(hù)方式，單體支柱與U型鋼間距為500 mm，相鄰U型鋼通過(guò)兩根拉桿連接。

成巷穩(wěn)定區(qū)(架后200 m之后)：此段巷道受采動(dòng)影響很小，頂板下沉量及單體支柱的壓力變化很小，可認(rèn)為該區(qū)域已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，可將臨時(shí)支護(hù)單體撤掉，只保留U型梁進(jìn)行擋矸，擋矸支護(hù)采用U型梁，U型梁間距500 mm。成巷區(qū)臨時(shí)支護(hù)平面如圖5所示。

圖5 成巷區(qū)臨時(shí)支護(hù)平面展開(kāi)圖

2 影響成巷質(zhì)量的因素

2.1 文明生產(chǎn)

黃陵礦業(yè)瑞能煤業(yè)公司施工恒阻錨索采用普通錨桿機(jī)進(jìn)行施工，預(yù)裂切縫孔施工采用切縫鉆機(jī)進(jìn)行施工。采用“濕式作業(yè)”，隨著留巷工程的推進(jìn)，117綜采工作面留巷作業(yè)段巷道底板積水增加，底板泥巖長(zhǎng)期浸泡水中膨脹形成淤泥，造成該巷道現(xiàn)場(chǎng)文明施工差。人員行走不便，為軌道運(yùn)輸增加了安全隱患，影響成巷質(zhì)量，即便工作面推采過(guò)后巷道底板仍有積水淤泥。

2.2 支護(hù)質(zhì)量

支護(hù)質(zhì)量是留巷質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)圍巖發(fā)生大變形破壞時(shí)，恒阻大變形錨桿可以吸收巖體變形能，使圍巖中的能量得到釋放。恒阻大變形通過(guò)結(jié)構(gòu)變形吸收變形能量，吸收能量巷道在回采期間過(guò)程中錨桿仍然能夠保持恒定的工作阻力和穩(wěn)定的變形量，從而實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖的穩(wěn)定，因此恒阻錨索支護(hù)質(zhì)量直接決定留巷成敗。117進(jìn)風(fēng)巷恒阻錨索施工完畢后，按照要求，鋼絞線(xiàn)初始外露長(zhǎng)度為150～200 mm，經(jīng)工作面推采過(guò)后，隨著采空區(qū)頂板垮落，留巷頂板壓力的增大，恒阻錨索開(kāi)始出現(xiàn)異常情況，117綜采工作面留巷工程量為980 m，根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，恒阻錨索共計(jì)施工1 680個(gè)，損壞26個(gè)，不合格率為1.55%，錨索損壞類(lèi)型有鎖具夾片個(gè)別掉落、錨索恒阻器斷裂、錨索錨固段下沉、鎖具不能有效夾持鋼絞線(xiàn)等。

2.3 預(yù)裂切縫效果

117工作面完成推采后，117進(jìn)風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)存在兩處成形較差，采空區(qū)側(cè)頂板下沉量增大，巷道呈“梯形”。117進(jìn)風(fēng)巷距離切眼4～10 m段頂板下沉量明顯增大，原巷道高度2 450 mm，推采過(guò)后巷道高度1 900 mm，根據(jù)頂板移近量及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示該段巷道頂板下沉量約170mm，底板鼓起380 mm，巷道寬度無(wú)明顯變化，距離切眼10～20 m段頂板下沉量實(shí)測(cè)為10 mm。117進(jìn)風(fēng)巷從切眼起沿回采方向161～166 m段，頂板下沉量達(dá)到150 mm，底板鼓起290 mm，巷道副幫煤壁片幫，巷道呈明顯梯形狀，頂部原錨索梁變形，原錨索脫落，壓力顯現(xiàn)明顯。

3 產(chǎn)生原因及對(duì)策

3.1 產(chǎn)生原因

文明生產(chǎn):117綜采工作面直接底為泥巖，巖層厚度1.77～2.4 m，為灰黑色砂質(zhì)泥巖，底板遇水膨脹，易形成淤泥。施工過(guò)程中不能有效將施工廢水收集抽排，導(dǎo)致廢水在巷道積聚，底板受水浸泡時(shí)間較長(zhǎng)后形成淤泥。

支護(hù)質(zhì)量:根據(jù)錨索工作原理，恒阻錨索二次預(yù)緊時(shí)破壞夾片內(nèi)側(cè)螺紋，導(dǎo)致其咬合能力下降，當(dāng)頂板來(lái)壓錨索受力增大時(shí)鋼絞線(xiàn)與夾片之間產(chǎn)生相對(duì)滑移。鋼絞線(xiàn)強(qiáng)度與夾片強(qiáng)度不匹配，鋼絞線(xiàn)強(qiáng)度偏高或夾片強(qiáng)度偏低導(dǎo)致夾片內(nèi)側(cè)螺紋無(wú)法嵌入鋼絞線(xiàn)表面。夾片熱處理不過(guò)關(guān)，導(dǎo)致其硬度明顯低于設(shè)計(jì)要求。恒阻錨索施工過(guò)程中，錨索與樹(shù)脂藥卷攪拌、凝固時(shí)間較短，鋼絞線(xiàn)不能有效錨固，工作面推采過(guò)后，錨固端失效，錨索下沉失效。

預(yù)裂爆破:117回風(fēng)巷道切縫線(xiàn)施工過(guò)程中，距離切眼4～10 m段6個(gè)預(yù)裂切縫孔被堵塞，無(wú)法裝藥，未進(jìn)行爆破；工作面回采前預(yù)先對(duì)10～20 m段切縫孔進(jìn)行了窺視，根據(jù)窺視及計(jì)算結(jié)果可知，切縫線(xiàn)10～20 m段裂縫率達(dá)98%，切縫孔平均深度6.1 m(裂縫率=形成切縫線(xiàn)深度/切縫孔深度)；然而切眼外4～10 m段裂縫率為0。在工作面推采至117回風(fēng)巷從切眼起沿回采方向161～166 m段前，對(duì)該段切縫孔進(jìn)行了窺視，共計(jì)窺視切縫孔10個(gè)，其中7個(gè)切縫孔孔內(nèi)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象、坍塌高度不等，另外3個(gè)切縫孔裂縫率只有70%，切縫質(zhì)量較差。

3.2 提高成巷質(zhì)量的對(duì)策

文明生產(chǎn)管理:“110工法”施工前，必須在巷道內(nèi)施工排水渠，加強(qiáng)水泵檢修。施工過(guò)程中，加強(qiáng)施工期間廢水收集，及時(shí)抽排廢水，經(jīng)常清理排水渠，確保排水工作正常進(jìn)行。

支護(hù)質(zhì)量管理：加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)督管理，建立施工日志，并由技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行全過(guò)程跟蹤。加強(qiáng)支護(hù)質(zhì)量驗(yàn)收，及時(shí)進(jìn)行錨索拉拔力試驗(yàn)。恒阻錨索施工一次性預(yù)緊至設(shè)計(jì)值，避免二次預(yù)緊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黃陵礦業(yè)瑞能煤業(yè)公司115綜采工作面實(shí)施“110工法”中，恒阻錨索共計(jì)施工1550根恒阻錨索，損壞僅有3根，損壞率0.2%，損壞率大大降低。

預(yù)裂爆破管理：加強(qiáng)預(yù)裂切縫爆破管理，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工爆破，嚴(yán)禁出現(xiàn)不爆破現(xiàn)象；爆破前必須確保封泥長(zhǎng)度達(dá)到1.5 m，并用專(zhuān)用工具將炮泥搗實(shí)。

其他方面：加強(qiáng)爆破施工專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍建設(shè)。黃陵礦業(yè)瑞能煤業(yè)公司“110工法”交由綜采隊(duì)施工后，該隊(duì)成立專(zhuān)門(mén)的預(yù)裂爆破小組進(jìn)行施工，后續(xù)爆破質(zhì)量得到有效提升，留巷質(zhì)量大大提高。

4 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)施薄煤層切頂卸壓開(kāi)采技術(shù)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)施工隊(duì)伍建設(shè)，成立專(zhuān)業(yè)預(yù)裂爆破小組，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)實(shí)施頂板預(yù)裂爆破施工，并定期進(jìn)行培訓(xùn)。此外，應(yīng)加強(qiáng)施工過(guò)程中設(shè)備用水管理，加強(qiáng)廢水收集管理，進(jìn)一步完善巷道內(nèi)排水系統(tǒng)，及時(shí)清理排水渠，保證巷道濕度。支護(hù)質(zhì)量管理方面，應(yīng)當(dāng)對(duì)恒阻大變形錨索施工進(jìn)行過(guò)程監(jiān)督，及時(shí)驗(yàn)收支護(hù)質(zhì)量。爆破管理方面應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行爆破，嚴(yán)禁出現(xiàn)瞎炮、不爆破現(xiàn)象。