孫云慶

（晉能控股裝備制造有限公司寺河煤礦二號(hào)井 山西 晉城 048019）

0 引言

隨著切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的發(fā)展及成功應(yīng)用，其在削弱巷道圍巖應(yīng)力集中、降低支護(hù)成本、控制圍巖變形、提高工作效率等方面均體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，是無煤柱開采技術(shù)一個(gè)新的發(fā)展趨勢。針對(duì)礦井9#煤層厚度較薄、工作面區(qū)段保護(hù)煤柱寬，資源回收率低等現(xiàn)象，礦井選取97307回采工作面采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)進(jìn)行研究試驗(yàn)。

1 工程概況

97307工作面位于礦井九七盤區(qū)，東為97306工作面（已回采）、南為礦界、西為實(shí)體煤、北為九七盤區(qū)大巷；上部為小煤窯3#煤采空區(qū)；下部為我礦15#煤（尚未開采）。工作面設(shè)計(jì)傾向長度180 m,走向長度1 350 m，可采走向長度1 305 m。煤層傾角2°~13°平均5°，煤1.04 m~1.87 m，平均1.5 m。老頂為細(xì)砂巖，厚度為5.3 m；直接頂為粉砂巖，厚度為3.9 m。

該工作面為高瓦斯工作面，無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。工作面巷道布置，采用“一面三巷”布置，“Y”型通風(fēng)（見圖1）。其中，97213巷為膠帶運(yùn)輸巷，布置有主運(yùn)系統(tǒng)；97214巷為輔助運(yùn)輸巷，布置有無極繩運(yùn)輸系統(tǒng)；97215巷為回風(fēng)巷。在97307回采過程中將對(duì)97214巷進(jìn)行留巷研究試驗(yàn)。97214與97215巷在后續(xù)接替回采面中分別將作為97308回采工作面進(jìn)風(fēng)輔助巷和回風(fēng)巷，兩巷之間煤柱隨回采工作面推進(jìn)并回收。

圖1 97307工作面布置圖

2 切頂卸壓沿空留巷主要技術(shù)方法

（1）爆破切頂卸壓

采用精準(zhǔn)定向預(yù)裂對(duì)頂板切縫卸壓是沿空留巷重的關(guān)鍵之處。此方法充分利用巖體的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度的強(qiáng)度特征，通過使用聚能管實(shí)現(xiàn)了爆破后在兩個(gè)設(shè)定方向上形成聚能流，在工作面回采施工前，利用頂板預(yù)裂切縫爆破技術(shù)，在回采巷道煤柱側(cè)形成定向預(yù)裂縫，切斷頂板應(yīng)力傳遞路徑。

根據(jù)蘇聯(lián)學(xué)者格·恩·庫茲涅佐夫“鉸接巖塊”假說，通過建立基本頂斷裂巖塊的拱式平衡模型，對(duì)其進(jìn)行受力分析，得出基本頂形成的條件是：

式中：hi—第i層巖層厚度；

M—采高；

K—巖層碎脹系數(shù)。

當(dāng)下覆巖層整體剛度小于上覆巖層剛度時(shí)，上覆巖層巖梁的一端一般要深入下覆巖層斷裂，頂板處于垮落帶還是裂隙帶對(duì)留巷礦壓顯現(xiàn)影響很大，處于垮落帶頂板越堅(jiān)硬留巷要承受的動(dòng)壓越大，需要在適宜的時(shí)間，以合適的方式，在頂板關(guān)鍵位置預(yù)裂，調(diào)整其破斷形式，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)狀態(tài)，加快頂板破斷、回轉(zhuǎn)速度，縮短采動(dòng)應(yīng)力作用時(shí)間，降低支承應(yīng)力集中程度，實(shí)現(xiàn)留巷區(qū)域應(yīng)力場分布的優(yōu)化見圖2。

圖2 采空影響區(qū)域示意圖

97214巷切縫孔距工作面幫500 mm，沿97214順槽巷頂板平行布置一排，間距500 mm，深度9 m。

（2）巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

為了確保沿空留巷期間頂板和巷道完整性，在對(duì)沿空留巷巷道對(duì)頂板切縫爆破前施工恒阻錨索、采用讓壓錨索配合單體柱及π型鋼梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。第一列補(bǔ)強(qiáng)為恒阻大變形錨索，距留巷幫700 mm，排距1 000 mm；第二列補(bǔ)強(qiáng)錨索為讓壓錨索，距第一列錨索間距1 500 mm，排距2 000 mm。留巷段補(bǔ)強(qiáng)單體柱為一梁四柱，排距為1 000 mm。單體柱在滯后工作面200 m后開始根據(jù)現(xiàn)場情況逐步進(jìn)行回撤。

圖3 巷道補(bǔ)強(qiáng)示意圖

根據(jù)礦壓觀測和生產(chǎn)推進(jìn)情況，留巷段滯后工作面300 m~400 m開始撤柱。撤柱時(shí)，第一次撤靠擋矸墻的第四根單體柱，第二次撤靠煤柱側(cè)的第二根單體柱，第三次撤擋矸墻的補(bǔ)強(qiáng)柱，每次撤柱隔一排撤一排柱，兩次撤柱時(shí)間間隔不小于1天，撤柱時(shí)每個(gè)測站的單體柱不撤97214巷留巷期間回撤單體柱工作基本順利完成。

（3）施工擋矸墻

97214巷采用切頂卸壓沿空留巷后，采空區(qū)采用“木板+風(fēng)筒布+金屬網(wǎng)+混凝土噴漿”進(jìn)行堵漏。即：從采空區(qū)向外采用風(fēng)筒布、鋼筋網(wǎng)、木板、風(fēng)筒布、金屬網(wǎng)加混凝土噴漿和U型鋼可伸縮支架進(jìn)行擋矸和堵漏，混凝土噴漿層厚度不小于100 mm~200 mm。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化和綜合抽放

（1）通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化：97307工作面計(jì)劃配風(fēng)量為1 900 m3/min，97213巷配風(fēng)量為900 m3/min，97214巷配風(fēng)量為1 000 m3/min，為了發(fā)揮“Y”型通風(fēng)上隅角瓦斯治理優(yōu)勢，降低采空區(qū)漏風(fēng)隱患，回采過程中對(duì)97213巷、97214巷風(fēng)量調(diào)平，平衡留巷兩側(cè)壓差，減少采空區(qū)漏風(fēng)。

（2）97307工作面采用本煤層鉆孔、頂板高位走向鉆孔、頂板高位傾向鉆孔、頂板高位走向長鉆孔、采空區(qū)埋管等方法進(jìn)行瓦斯抽采。

本煤層鉆孔：在97214巷垂直煤壁施工平行鉆孔，從距離切眼10 m處開始至停采線，孔間距5 m，共施工本煤層鉆孔246個(gè)。

頂板走向高位普通鉆孔：在97214巷施工25個(gè)鉆場，從鉆場向工作面上隅角方向打扇形頂板穿層鉆孔，分上下兩層共14個(gè)鉆孔，下層鉆孔開孔高度1.5 m，上下層間距0.5 m。

采空區(qū)埋管：將97215巷D457管，通過橫川引出至97214巷埋設(shè)在擋矸堵漏墻上，間距為250 m，其次在擋矸堵漏墻上每10 m埋設(shè)一趟D100PE管。D450PE管用長×寬×高=1 200×500×2 400 mm的磚墻固定，埋設(shè)D457抽放管時(shí)工作面需停止生產(chǎn)，將D450PE管用磚墻固定后方可繼續(xù)生產(chǎn)；D110PE管用鐵絲固定在“U”型鋼。

在回采過程中，用于高位鉆孔抽放的D355管路在鉆場停抽放后要及時(shí)拆斷，并與橫川口的D457不銹鋼管連接，D355管路每50 m安裝一個(gè)D355/110五通與D110管路連接抽采采空區(qū)瓦斯，防止密閉瓦斯涌出。

頂板傾向高位鉆孔：在97215巷南幫距離切眼5 m開始施工傾向頂板高位鉆孔至停采線14 m為止，鉆孔設(shè)計(jì)傾角20°，切眼至355 m處開孔間距6 m，從355開始至停采線孔間距為10 m。

頂板走向高位長鉆孔：在97214巷口千米鉆場向工作面上隅角方向施工頂板走向高位長鉆孔，設(shè)計(jì)鉆孔7個(gè)，鉆孔直徑120 mm，設(shè)計(jì)方位角223°，層位位于走向頂板高位鉆孔上方的裂隙帶內(nèi)，為走向頂板高位長鉆孔替代普通走向頂板高位鉆孔總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

4 采空區(qū)自燃發(fā)火防治

9#煤層無自燃發(fā)火傾向性，屬不易自燃煤層。為防止因沿空留巷工作面漏風(fēng)造成采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃，留巷過程中，在噴漿墻體內(nèi)預(yù)埋措施管（兼作抽采管和氣體觀測管）。管徑110 mm，距底板高度1 000 mm，外露200 mm，間隔10 m，端頭設(shè)置閥門。沿空留巷期間，每周對(duì)保持留巷段每50 m的采空區(qū)埋管進(jìn)行一次氣樣分析；沿空留巷時(shí)，做到接頂接底密實(shí)，設(shè)置消防供水管路和滅火器；每旬在97214巷留巷段測定一次采空區(qū)漏風(fēng)情況。

5 項(xiàng)目實(shí)施效果

97307工作面從回采開始到結(jié)束，共留巷1290米。留巷段巷道穩(wěn)定，巷道變形可控，瓦斯治理有效，未出現(xiàn)瓦斯超限，各項(xiàng)主要指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期效果。97214巷留巷段作為輔助運(yùn)輸巷擔(dān)負(fù)了97308工作面搬家運(yùn)輸任務(wù)，97308工作面在回采過程中，97214巷在復(fù)用過程中頂板穩(wěn)定，自成巷擋矸墻有效，工作面瓦斯未發(fā)生超限，各項(xiàng)主要指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期效果，復(fù)用效果良好。

（1）巷道整體變形可控

巷道頂?shù)装逡平科骄鶠?30 mm，兩幫移近量平均為126 mm，頂板離層量為78.9 mm，擋矸墻擋矸有效，擋矸應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果正常，未出現(xiàn)墻體損壞的情況，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）97214巷巷道變形大致可分為四個(gè)階段：

第一階段：超前工作面30 m至滯后工作面20 m范圍，由于預(yù)裂切縫的作用，工作面開采引起的超前應(yīng)力表現(xiàn)不明顯，頂板下沉速度較慢，一般不超過40 mm。

第二階段：滯后工作面20 m~100 m范圍，此階段隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)懸頂距離增加，頂?shù)装逡平孔兓^大，此階段頂?shù)装逡平科骄鶠?70 mm。

第三階段：滯后工作面100 m~200 m范圍，此階段已經(jīng)垮落的矸石對(duì)上覆巖層起到一定的支撐作用，但由于矸石尚未完全壓實(shí)，頂?shù)装逡平咳跃徛黾?，平均約為30 mm。

第四階段：滯后工作200 m之后，此階段采空區(qū)矸石已基本壓實(shí)，頂板基本穩(wěn)定，頂?shù)装逡平炕静辉僮兓?/p>

圖4 3#測站頂?shù)装逡平?/p>

（3）工作面超前范圍內(nèi)，頂板離層較小，在滯后工作面0 m~100 m范圍內(nèi)，離層量增加較快，平均55 mm；在滯后工作面100 m~200 m范圍內(nèi)，頂板活動(dòng)較為緩和，變化較小，平均20 mm；在滯后工作面200 m后，離層量基本不再增加。

（4）補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)錨索受力穩(wěn)定，作用效果明顯，恒阻錨索預(yù)緊力設(shè)計(jì)值為250 kN，設(shè)計(jì)恒阻值為350 kN。超前工作面范圍內(nèi)錨索受力變化不明顯；在滯后工作面0 m~80 m范圍內(nèi)，錨索受力增加較快，該階段錨索受力平均變化量為107 kN；在滯后工作面80 m~130 m范圍內(nèi)，受巖層回轉(zhuǎn)變形影響減弱，錨索受力增速變緩；在滯后工作面130 m后，錨索受力基本趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定范圍為350 kN~370 kN。

（5）恒阻錨索主要對(duì)巷幫切頂側(cè)頂板進(jìn)行控制，讓壓錨索則在控制巷道整體變形方面起到輔助作用。巷道在滯后工作面20 m~80 m范圍內(nèi)，讓壓錨索受力顯著增加，讓壓環(huán)開始發(fā)生變形；讓壓環(huán)變形后，讓壓錨索整體受力情況得到有效改善，避免了錨索因錨固段受力過大引起的支護(hù)失效的情況；巷道在滯后工作面80 m后讓壓錨索受力趨于穩(wěn)定。讓壓錨索在恒阻錨索與煤壁之間起到了有效的控頂作用，對(duì)控制巷道整體變形效果明顯。

（6）補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)單體柱壓力穩(wěn)定可控，隨著工作面的推進(jìn)，單體柱壓力逐漸增大，在滯后工作面20 m~90 m范圍內(nèi)會(huì)達(dá)到峰值，平均為28.5 MPa，之后壓力下降，滯后工作面150 m后基本穩(wěn)定，穩(wěn)定后壓力均值為26.3 MPa。單體柱壓力變化較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)支柱損壞。根據(jù)礦壓觀測結(jié)果，在巷道進(jìn)入壓力穩(wěn)定區(qū)段后，開始逐步回撤補(bǔ)強(qiáng)單體柱，除壓力顯現(xiàn)明顯區(qū)段外，逐步將原支護(hù)中“一梁四柱”改為“一梁兩柱”直至最后撤除全部補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

（7）各項(xiàng)瓦斯治理措施實(shí)施有效

通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化及瓦斯抽放效果明顯，工作面回采期間未發(fā)生瓦斯超限事故。目前97307工作面推進(jìn)1 200 m，97213巷配風(fēng)量為900 m3/min，97214巷配風(fēng)量為1 000 m3/min，97214巷留巷段回風(fēng)瓦斯0.1%~0.4%之間，擋矸墻內(nèi)瓦斯2%左右，采空區(qū)漏風(fēng)約60 m3/min；97214巷抽采濃度11%，抽采純量7.38 m3/min。