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        切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術(shù)的思考

        2021-04-01 08:51:13李向陽
        現(xiàn)代礦業(yè) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:切頂空留巷馬蘭

        李向陽

        (山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦)

        沿空留巷無煤柱開采技術(shù)要達(dá)成的目標(biāo):一個工作面,一條巷道,零個煤柱,即所謂的“110工法”,“110工法”是煤炭開采技術(shù)的一次重大變革,它顛覆了傳統(tǒng)以支護(hù)為主體控制圍巖的理論體系,通過對巷道頂板關(guān)鍵層的切頂達(dá)成卸壓的目的,配合以傳統(tǒng)的支護(hù)理論體系,達(dá)成控制工作面采場圍巖的目的[1-3]?!?10工法”的實(shí)施,有效地解決了傳統(tǒng)開采方式資源回收率低、工作面銜接緊張、受動壓巷道極難維護(hù)的技術(shù)難題,它通過對礦山壓力、頂板巖體構(gòu)架、巷道已有支護(hù)、采場形成的有效空間及巖石碎漲系數(shù)的利用,實(shí)現(xiàn)了降低巷道頂板周期來壓強(qiáng)度、降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛取⒔档兔禾孔匀几怕实男Ч?/p>

        1 對切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術(shù)的思考

        沿空留巷無煤柱開采技術(shù)實(shí)施過程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)在于“拉得住、切得開、下得來、護(hù)得住”(何滿潮院士《長壁開采切頂短壁梁理論及其110工法——第三次礦業(yè)科學(xué)技術(shù)變革》)。巷道頂板“拉得住”才能確保工作面向前推進(jìn)的過程中,巷道形成的已有空間不會受到破壞,為沿空留巷的前提;“切得開”才能保證工作面推進(jìn)過程中關(guān)鍵層順利沿巷道欲裂縫切開;“下得來”才能確保來自巷道頂板周期來壓形成的應(yīng)力集中區(qū)得以釋放,確保巷道頂板載荷在可控區(qū)間內(nèi);“護(hù)得住”才能確保沿空留巷形成的巷道得以重復(fù)利用。

        1.1 “拉得住”問題的關(guān)鍵技術(shù)

        對于拉得住的問題,目前國內(nèi)較為領(lǐng)先的支護(hù)技術(shù)是恒阻大變形錨索、高強(qiáng)度錨桿錨索支護(hù)技術(shù)、耦合支護(hù)理論。

        (1)使用恒阻大變形錨索,允許巷道頂幫存在較大的變形,而工作面支護(hù)不失效,確保巷道在受到較大的壓力沖擊時(shí),支護(hù)完好可靠[4-7]。恒阻大變形錨索采用具有特殊結(jié)構(gòu)的恒阻大變形裝置,使錨索支護(hù)既具有恒阻條件下抵抗變形的能力,又具有抵抗沖擊變形能量的功能。沿空留巷時(shí),在巷道回采側(cè)的原支護(hù)中間布置恒阻大變形錨索,可使巷道具有接受大變形而不受損毀的能力。

        (2)使用高強(qiáng)度錨桿、錨索支護(hù),可使巷道承受較大載荷,尤其對于沿空留巷巷道,在巷道受到較大動壓時(shí),高強(qiáng)度錨桿、錨索的支護(hù)效果得以極大限度的發(fā)揮。

        (3)采用耦合支護(hù)理論對巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì),巷道的支護(hù)強(qiáng)度直接關(guān)系到沿空留巷的效果,巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),要采用耦合設(shè)計(jì)理論,根據(jù)巷道圍巖性質(zhì)、巷道受力狀況,對巷道兩幫及頂板設(shè)置更為合理、更為科學(xué)的差異性支護(hù)形式,需沿空留巷的巷道,應(yīng)在巷幫破壞側(cè)的頂板、底板采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)支護(hù)措施,比如使用高強(qiáng)度錨桿、錨索,使用恒阻大變形錨索、打注地腳錨桿等。

        1.2 “切得開”與“下得來”問題的關(guān)鍵技術(shù)

        對于“切得開”與“下得來”問題,目前國內(nèi)較為先進(jìn)的技術(shù)為雙向聚能爆破技術(shù)、高壓水力切頂技術(shù)[8-10]。

        (1)雙向聚能爆破技術(shù)是利用預(yù)先設(shè)置在火藥套筒上的2排聚能孔,形成了火藥套筒的最初弱面,當(dāng)火藥引爆時(shí),爆破沖擊能量首先通過套筒弱面?zhèn)鞑?,從而達(dá)成沖擊破定向傳播的目的,在裝藥時(shí),將相鄰炮眼火藥套筒的聚能孔呈線性排列,可達(dá)到連點(diǎn)成線的目的,從而有效地保證了爆破沿既定方向傳播的目的,確保了爆破效果。

        雙向聚能爆破實(shí)施過程中,需要通過巷道上覆巖層柱狀圖來確定頂板關(guān)鍵層的位置,以此為依據(jù)設(shè)計(jì)炮眼深度;炮眼密度可根據(jù)關(guān)鍵層巖石硬度決定。合理地炮眼布置、正確地使用火藥套筒、科學(xué)的裝藥方式將會對切頂卸壓的效果起著關(guān)鍵作用。

        (2)水力切頂技術(shù)是利用高壓水在封閉的孔洞預(yù)先弱化頂板巖體,最終實(shí)現(xiàn)巖體沿巷道最大軸向應(yīng)力開裂的目的。使用該方式進(jìn)行巷道的切頂卸壓,需在預(yù)先打設(shè)布置在巷道關(guān)鍵層的注水孔,并對注水孔進(jìn)行有效的封閉,然后將高壓水源源不斷的送入注水孔,直至水壓突然降低、巷道頂板巖體破壞為止。高壓水破壞巷道巖體時(shí),裂縫方向?yàn)橄锏乐鲬?yīng)力方向,由于巷道主應(yīng)力方向在工程環(huán)境下無法準(zhǔn)確預(yù)判,給切頂過程會帶來一定的不確定因素?,F(xiàn)場實(shí)施過程中,應(yīng)該合理布置注水孔的密度及深度,注水過程中最好多個注水孔同時(shí)注水,以達(dá)成裂縫向預(yù)定方向延伸的目的。

        1.3 “護(hù)得住”問題的關(guān)鍵技術(shù)

        巷道頂板沿預(yù)定方向、預(yù)定深度成功切開后,只有有效的解決巷旁支護(hù)問題,才能確保沿空留巷的最終成果。對于巷旁支護(hù),目前國內(nèi)較為先進(jìn)的技術(shù)為預(yù)制混凝土墻技術(shù)、高恒阻支架配合金屬網(wǎng)噴混凝土技術(shù)、高水材料密閉墻技術(shù)。

        (1)使用預(yù)制混凝土墻進(jìn)行巷旁支護(hù)時(shí),要將預(yù)制的混凝土塊使用水泥漿構(gòu)筑成墻,然后使用水泥漿對墻體進(jìn)行封閉,以達(dá)成封閉采空區(qū)的目的。預(yù)制混凝土墻在實(shí)施過程中存在以下弊端:混凝土墻自身可承受的外力較大,但使用混凝土墻時(shí),不能保證混凝土墻及時(shí)接頂,從而達(dá)不到及時(shí)支護(hù)的目的;預(yù)制混凝土墻的運(yùn)輸工作量極大,影響沿空留巷封閉速度,制約生產(chǎn);混凝土墻依靠水泥砂漿連接,連接效果差,受壓時(shí),極易破壞,從而影響沿空留巷效果。

        (2)高恒阻支架配合金屬網(wǎng)噴混凝土技術(shù)即使用高恒阻支架,在支架的采空區(qū)冒落側(cè),鋪設(shè)鋼筋網(wǎng),并設(shè)置檔桿板,待工作面頂板冒落并形成較為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后,回撤高恒阻支架,并對巷道進(jìn)行噴混凝土封閉,以達(dá)成沿空留巷的目的。

        (3)使用高水材料進(jìn)行巷旁支護(hù)時(shí),要在工作面以外的集中巷道設(shè)置泵站,然后通過泵站將高水材料源源不斷的送入巷道高水模型墻內(nèi),以達(dá)成巷道支護(hù)、封閉采空區(qū)的目的。高水材料具有支護(hù)阻力大、增阻速度快、適量可縮的特點(diǎn),在構(gòu)筑高水材料墻時(shí),可在墻的四周預(yù)先設(shè)置鋼筋網(wǎng),并使用雙向錨桿將鋼筋網(wǎng)連城一體,以達(dá)成提高高水墻強(qiáng)度的目的。

        2 切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術(shù)在馬蘭礦的應(yīng)用階段

        目前,沿空留巷技術(shù)在馬蘭礦尚未實(shí)施,但深孔爆破切頂卸壓技術(shù)已在馬蘭礦18301輔運(yùn)巷、18504切眼初步進(jìn)行了嘗試,但應(yīng)用效果尚不明顯。沿空留巷無煤柱開采技術(shù)在馬蘭礦的展開可以分以下幾個階段進(jìn)行。

        (1)第一階段:繼續(xù)進(jìn)行切頂卸壓技術(shù)嘗試,著力解決馬蘭礦順序開采造成的動壓顯現(xiàn)劇烈問題。

        以馬蘭礦南六采區(qū)為例,采區(qū)同時(shí)回采02#煤、2#煤,屬典型的煤層群開采采區(qū),工作面回采順序多為順序開采,開采過程中,相鄰巷道礦壓顯現(xiàn)明顯,可通過繼續(xù)嘗試使用切頂卸壓技術(shù)解決巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈狀況。嘗試時(shí),技術(shù)人員需在爆破技術(shù)、炮眼參數(shù)、關(guān)鍵層確定等方面多加思考,不斷優(yōu)化爆破方法工藝,以達(dá)成卸壓的目的。

        (2)第二階段:嘗試當(dāng)前國內(nèi)主動支護(hù)新技術(shù),著力解決沿空留巷受動壓區(qū)段巷道支護(hù)問題。在馬蘭礦受采動影響巷道逐步嘗試使用高強(qiáng)度錨桿錨索支護(hù)、球形墊片調(diào)心錨桿錨索支護(hù)、高恒阻大變形錨索支護(hù)、注漿錨桿支護(hù)等先進(jìn)的支護(hù)理念,嘗試使用耦合支護(hù)理論設(shè)計(jì)巷道支護(hù)參數(shù),通過對新的巷道支護(hù)技術(shù)、新的巷道支護(hù)理念的逐步嘗試,使得馬蘭礦的支護(hù)設(shè)計(jì)理論體系逐步完善、成熟,并在受動壓巷道的應(yīng)用中取得顯著成果。

        (3)第三階段:初步小范圍嘗試沿空留巷技術(shù),著力解決沿空留巷巷旁支護(hù)問題、沿空留巷與采空區(qū)密閉問題。在切頂卸壓及動壓支護(hù)問題得到有效解決的條件下,可以在條件較好的巷道小范圍嘗試沿空留巷技術(shù),在此過程中,需要解決巷旁支護(hù)問題、采空區(qū)密閉問題、端頭支護(hù)問題、勞動組織等一系列問題。

        (4)第四階段:展開應(yīng)用沿空留巷無煤柱開采新技術(shù),在實(shí)際使用過程中不斷摸索、不斷形成一套成熟的技術(shù)體系。

        前三階段的嘗試取得既定成果后,即可開展切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術(shù)的實(shí)施嘗試,著力攻破各項(xiàng)技術(shù)難題。

        3 結(jié) 語

        綜上所述,沿空留巷無煤柱開采技術(shù)實(shí)施過程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)在于“拉得住、切得開、下得來、護(hù)得住”, 介紹了對切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術(shù)在應(yīng)用過程中的這些關(guān)鍵核心問題的思考。切頂卸壓無煤柱沿空留巷開采是一個系統(tǒng)化的開采技術(shù)理論體系,目前這套理論體系已在我國多個礦井得以實(shí)施,有效提高了煤炭資源回收率,降低生產(chǎn)成本,踐行了科技減人的戰(zhàn)略。

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