王春陽

（大同煤礦集團云崗礦，山西 大同 037017）

引言

我國經(jīng)濟快速發(fā)展需要礦產(chǎn)能源作為基礎(chǔ)，近幾年，綠色開采理念在煤炭資源開發(fā)中得到廣泛推廣，如何提高煤炭資源開采率和回收利用已成為全社會關(guān)注的焦點問題。大同西郊的云岡礦屬于資源衰退型礦井，可開采煤炭資源趨于枯竭[1]。為保證礦井的可持續(xù)發(fā)展，在云岡礦12號層410盤區(qū)81041、81043兩個工作面設(shè)計了無煤柱開采。工作面開采期間需對超前頂板進(jìn)行預(yù)裂，保證無煤柱工作面的留巷質(zhì)量，根據(jù)其他礦井無煤柱工作面開采經(jīng)驗，傳統(tǒng)的爆破預(yù)裂頂板裂縫不夠完整貫通，裂縫結(jié)合面不夠平整，頂板后期垮落阻力大且巷道維護(hù)困難，爆破過程需要打眼、工序多且復(fù)雜，鑒于傳統(tǒng)工藝的缺點，云岡礦選擇KLJ7型鏈臂鋸進(jìn)行超前切割頂板。

1 云岡礦井基本概況

云崗井田煤層所處地質(zhì)構(gòu)造類型相對比較簡單，含煤地層產(chǎn)狀穩(wěn)定、變化小，斷裂構(gòu)造及褶曲較為發(fā)育，鉆孔及生產(chǎn)揭露控制斷層的大部分?jǐn)嗑酁?～5 m，少數(shù)區(qū)域存在較大褶曲和穹隆，水文地質(zhì)條件較好，但周圍存在小型私采礦藏的問題，對煤炭開采造成了不利影響[2]。礦井采用立井、斜井混合開拓方式。云崗礦12號層410盤區(qū)81041、81043工作面區(qū)域進(jìn)行切頂卸壓自動成巷無煤柱開采試驗，工作面51041、51043巷作為切頂卸壓留巷試驗巷道，工作面基本情況如表1所示。

表1 工作面基本情況表

工作面對應(yīng)地面標(biāo)高范圍為1 210.0～1 254.0 m，工作面實際標(biāo)高范圍為998.0～1 013.0 m，埋深范圍為197.0～256.0 m。81043工作面預(yù)計可采儲量87 158.0 t，81041工作面可采儲量108 626.2 t，共計195 784.2 t。81043工作面切頂卸壓沿空成巷無煤柱開采施工位置如圖1所示。

圖1 81043工作面切頂卸壓沿空成巷無煤柱開采施工位置示意圖

2 KLJ7礦用智能鏈臂鋸切頂機基本結(jié)構(gòu)

采用的KLJ7鏈臂切頂機型號含義為：K代表切割最大深度（m），L代表切頂機，J代表鏈臂式，7代表具有礦用智能安全保護(hù)。該型號主要用于巖石硬度f≤7的巖巷以及軟巖巷道切割。設(shè)計最大切割深度6.6 m，縱向工作坡度≤±10°。KLJ7鏈臂切頂機主要結(jié)構(gòu)包括切割部、架體部、聯(lián)接架部、液壓伺服及電氣控制系統(tǒng)等部件組成，如下頁圖2所示。工作前選擇合適的工作面，可以完成水平、垂直和角度切割。鏈臂鋸鎖固在軌道后開啟主電機，驅(qū)動鏈輪帶動鏈條完成切割作業(yè)過程，主變速箱體上的液壓型擺臂液壓馬達(dá)驅(qū)動完成進(jìn)給運動，鏈臂鋸切割一節(jié)頂板切割后，行進(jìn)另一節(jié)后繼續(xù)切割[3]。

圖2 KLJ7智能鏈臂切頂機整機結(jié)構(gòu)

3 工作面切頂卸壓方案

開采期間采用以切頂卸壓為主體的方案，通過鏈臂鋸切縫來降低工作面頂板受到的壓力，并保證頂板的穩(wěn)定性和完整性。采用錨索梁和單體柱強化巷道剛度，增加巷道圍巖的承載能力，降低巷道變形量，為留巷效果提供保證。煤層在開采過程中，巷道動壓力會產(chǎn)生變化，必須設(shè)置支護(hù)進(jìn)行保護(hù)，維持其穩(wěn)定。結(jié)合以往工程經(jīng)驗和礦方意見，采取了以下方案。

3.1 切縫分區(qū)設(shè)計

根據(jù)頂板鉆孔可知，巷道直接頂為細(xì)粉砂巖互層，碎脹系數(shù)為1.40，老頂為粉砂巖，碎脹系數(shù)為1.50，取平均值1.47[4]。由于礦井煤厚變化不大，工作面采高取值為2.17 m，初步設(shè)計切C縫=（2.17-0-0）/（1.47-1）=4.62 m，取6 m。81041、81043工作面切縫包含三個區(qū)段：兩個切眼段和一個留巷段Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)為切眼段，Ⅰ區(qū)切縫長度為99 m，Ⅱ區(qū)切縫長度為138 m，采用水壓致裂工藝對切眼段進(jìn)行卸壓；Ⅲ區(qū)為留巷段，采用鏈臂鋸垂直頂板進(jìn)行切縫。切縫設(shè)計示意圖見圖3。

圖3 81043工作面切頂卸壓沿空成巷切縫分區(qū)設(shè)計示意圖

3.2 巷道臨時支護(hù)設(shè)計

煤炭開采中，不同位置的地質(zhì)也不同，巷道應(yīng)力變化也不同，工作面超前段產(chǎn)生的超前壓力也不同。煤層工作面開采后頂板在壓力和重力作用下，會自然垮落，在頂板的穩(wěn)定期間，必須對工作面較近的架后區(qū)域架設(shè)頂板支護(hù)和擋矸支護(hù)。工作面推進(jìn)較遠(yuǎn)時，頂板應(yīng)力已經(jīng)穩(wěn)定平衡，保留擋矸作為永久支護(hù)。借鑒同煤集團礦井生產(chǎn)經(jīng)驗，將工作面分成三個區(qū)：工作面前方30 m的超前支護(hù)區(qū)，架后0～200 m為架后臨時支護(hù)區(qū)和架后200 m之后為成巷穩(wěn)定區(qū)，分區(qū)如圖4所示。

圖4 留巷段巷道臨時支護(hù)分區(qū)圖

3.3 鏈臂鋸切頂施工過程設(shè)計

51041（51043）巷順巷錨索梁加固及切縫缷壓總體施工過程如下：

1）錨索加強支護(hù)。根據(jù)設(shè)計參數(shù)完成錨索施工，在切縫側(cè)錨索增加工字鋼強化支護(hù)性能。

2）切巷頂板預(yù)裂鉆孔施工。在81043工作面切眼的工作面幫施工一排水力致裂鉆孔，距底板2 m鉆孔間距20 m，深度15 m，仰角63°29"。所有水力致裂鉆孔均定向開槽。鉆孔的開孔位置應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場鉆機的安設(shè)及打鉆方便進(jìn)行調(diào)整。

3）鏈臂鋸切割頂板預(yù)裂施工。切縫作業(yè)位置應(yīng)超前工作面至少50 m。故在工作面推進(jìn)到距離81041切巷70 m位置處時，開始在距離81041切巷10 m位置處，沿工作面推進(jìn)方向，對51041（51043）巷進(jìn)行鏈臂鋸預(yù)裂切縫，形成超前于工作面的預(yù)裂切縫線進(jìn)行切頂缷壓。

4）架后檔矸支護(hù)。工作面超前段及時采用“單體支柱+11號工字鋼+29U型鋼+菱形網(wǎng)”進(jìn)行聯(lián)合檔矸支護(hù)。采空區(qū)側(cè)11號工字鋼布置間距為600 mm，29U型鋼布置間距為600 mm，工字鋼與U型鋼間隔布置，間距300 mm。并在采空區(qū)與U型鋼之間鋪設(shè)菱形網(wǎng)。為防止漏風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生，可在菱形網(wǎng)與11號工字鋼之間鋪設(shè)風(fēng)筒布，高度取3.8 m，上下各超出30 cm，超出部分分別固定到頂?shù)装?，并進(jìn)行有效封閉。風(fēng)筒布搭縫處寬度30 cm，固定后亦進(jìn)行封閉處理。

5）噴漿。一定時間后頂板穩(wěn)定，填充不充分區(qū)域，并進(jìn)噴漿以保證巷道穩(wěn)定。待開采81041工作面時，可敲掉因來壓導(dǎo)致裂口的漿體，補噴混凝土修復(fù)。

4 智能鏈臂鋸切頂機作業(yè)的工藝流程

智能鏈臂鋸切頂機作業(yè)工藝流程為：安全檢查→起臂對刀→切頂→返空刀→履帶前進(jìn)一個步距→臨時支護(hù)→清理粉塵→設(shè)備及安全檢查→起臂下一循環(huán)。

1）開工前的安全檢查。每班開工前按照“四位一體”原則開展安全檢查，檢查巷道的通風(fēng)、瓦斯、底、頂、幫支護(hù)、水、煤塵、機電設(shè)備、切頂機以及所有安全設(shè)備、設(shè)施等情況，處理完所有問題并由安全人員確認(rèn)。

2）設(shè)計鏈鋸進(jìn)刀及切頂方式采用定點圓弧切頂法。初次安裝鏈臂鋸片指向順槽里端，刀頭不得逆割，按垂直切縫切割。

3）切割方式采用矩形法。

5 效果評估

工作面使用鏈臂鋸切割頂板，開創(chuàng)了機械裝備井下快速切頂、開槽卸壓的先河，實現(xiàn)了無煤柱工作面切頂工藝的機械精準(zhǔn)切頂，81043工作面無煤柱成功實施后，減少了煤柱損失，提高了資源回采率，延長了礦井服務(wù)年限。節(jié)省了新掘巷道250 m，可多采出總計約0.4萬t左右的煤炭，直接創(chuàng)造經(jīng)濟效益38萬元。采用切頂卸壓為主體的方式，通過鏈臂鋸切縫，保證了回采安全，緩和了沿空巷道圍巖的應(yīng)力水平，很好地控制了巷道變形，從根本保障了煤炭的安全高效開采。

6 結(jié)論

鏈臂鋸切割頂板技術(shù)的成功應(yīng)用，推動了無煤柱工作面切頂工藝由“人工爆破切頂”向“機械精準(zhǔn)切頂”的轉(zhuǎn)變，提升了煤炭開采率，保障了開采過程安全，為鏈臂鋸切頂推廣到更多的無煤柱工作面提供了經(jīng)驗。