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        自動化綜采面一次采全高切頂卸壓技術(shù)研究

        2023-11-30 04:46:04
        機(jī)械管理開發(fā) 2023年10期
        關(guān)鍵詞:切頂煤柱錨索

        文 力

        (山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)神角煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 042100)

        0 引言

        現(xiàn)階段,國內(nèi)無煤柱巷道保護(hù)技術(shù)主要是隨工作面開采和巷道旁充填而發(fā)展起來的沿空留巷技術(shù),在采空區(qū)邊緣保留原有巷道[1]。因此,用于護(hù)巷的煤柱不再服務(wù)巷道的下一段。目前廣泛采用的沿空留巷技術(shù)多采用巷道旁充填支護(hù)的方式,然而,頂板的傳力結(jié)構(gòu)是不能改變的。以充填體為主體,承受著頂板的巨大壓力,往往會造成采空區(qū)側(cè)進(jìn)巷道嚴(yán)重變形,最終造成維護(hù)成本高、安全隱患大等問題。為此,根據(jù)山西某煤礦的實際情況,采用了一次采全高綜采工作面卸壓留巷技術(shù),并對該技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析,保障了該煤礦的安全生產(chǎn)。

        1 1014 工作面及其支護(hù)概況

        1.1 工作面概況

        山西某礦1014 綜采工作面為下10 煤層第4 個綜采工作面,其開采平面為不規(guī)則矩形,回采面長度為160 m,上巷為2879 m,下巷為2794 m。1014 工作面煤層厚度為3.4~4.8 m,其平均厚度大約為4.2 m,煤層傾斜角度為9°~16°,平均傾角為12°。試驗工作面采煤方式為一次采全高搭配綜合機(jī)械化開采,頂板管理方式為全部垮落法。1014 工作面上巷采用頂切支護(hù)巷道,支護(hù)巷道斷面長度為600 m。當(dāng)沿空留巷工藝結(jié)束后,其成為相鄰工作面的回采巷道。

        1.2 巷道頂?shù)装鍘r性及支護(hù)概況

        1014 工作面上巷(支護(hù)段)頂板為細(xì)砂,底板為細(xì)砂巖和含礫砂巖,厚32.2 m。工作面頂板為細(xì)砂巖,底板為6.2 m 厚粉砂巖,巷道頂?shù)装寮皣鷰r穩(wěn)定性差。試驗工作面上側(cè)巷道為較規(guī)則梯型,其開挖寬度為5.08 m,凈寬5.0 m,開挖面16.3 m2,凈斷面16.0 m2。頂板用鋼筋螺栓和金屬網(wǎng)支撐,側(cè)壁用樹脂螺栓和塑料網(wǎng)支撐,頂板螺栓間距為1000 mm、1000 mm,上下螺栓間距為1000 mm、800 mm,頂板螺栓為Φ18 mm×1800 mm 螺紋鋼螺栓,側(cè)板螺栓為Φ16 mm×1600mm樹脂螺栓,頂板設(shè)有6 排螺旋鋼螺栓,采用“螺栓網(wǎng)+螺栓”組合支撐。

        2 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)

        2.1 恒阻錨索加固支護(hù)參數(shù)設(shè)計

        對巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂或爆炸破壞時,利用恒阻的大變形錨索進(jìn)行強(qiáng)化,以提高巷道挖掘過程和循環(huán)來壓過程的安全性。為了最大程度的充分發(fā)揮恒阻錨頭的保護(hù)功能,減少預(yù)裂爆破傷害和頂板坍塌的危害,常阻錨索長度通常比預(yù)裂爆破高2 m 以上,并保證錨索端部處于穩(wěn)定巖層中[2]。根據(jù)巷道的地層分布和原有支護(hù)參數(shù),確定了定阻錨索的設(shè)計長度。

        與原始煤柱開采不同,自成型無煤柱巷道的塌陷位置和時間具有一定的規(guī)律,即工作面超前后,頂板巖體從裂隙線塌陷,巖體移動;從塌落高度看,自成型無煤柱巷道工藝使頂板“兩帶”高度低于原采工藝。因此,12.3 m 恒阻錨桿對恒阻錨索預(yù)應(yīng)力不產(chǎn)生影響。

        1014 工作面上巷布置兩排大變形恒阻錨索,其中一排恒阻錨索距煤層鉆孔400 mm(距采動巷道煤側(cè)500 mm),間距為1000 mm,相鄰錨索由3000×300 mm×5 mm 的W 型鋼帶連接;第二排恒阻錨索布置在巷道中心線處,間距為2000 mm。圖1 為1014工作面上巷恒阻錨索加固縫鉆施工圖。

        2.2 頂板預(yù)裂爆破施工工藝

        在頂板預(yù)裂爆破的施工工藝中,應(yīng)用了雙向聚能預(yù)裂炸藥爆破技術(shù),在兩個產(chǎn)生聚能效應(yīng)的聚能裝置中,安放了相應(yīng)規(guī)格的炸藥。爆破后,再運(yùn)用對巖體的擠壓與牽拉特性,將炮孔圍巖均勻地擠壓并沿預(yù)定方向集中拉長,使之沿預(yù)定方向迅速拉長成型,進(jìn)而實現(xiàn)了張拉爆破成型的目的。

        2.2.1 切縫鉆孔深度與間距

        預(yù)裂縫鉆孔深度H縫與采高、頂板下沉、底鼓等因素密切相關(guān),通常采用以下算式進(jìn)行計算:

        式中:H煤為采場開采高度,m;ΔH1為頂板的沉降量,m;ΔH2為下鼓量,m;K 為破碎膨脹率,按巖性計算,K值為1.4。

        在排除底鼓和頂板沉降的前提下,根據(jù)頂?shù)装鍘r性和以往工作經(jīng)驗,得出了預(yù)裂槽的開孔深度為10 m。切縫與巷道側(cè)壁距離為100 mm,切割面與垂直方向的角度為15°,切割孔的距離為500 mm。

        2.2.2 爆破工藝參數(shù)

        根據(jù)設(shè)計方案,進(jìn)行單孔試驗,確定合理的裝藥量和充填長度,然后進(jìn)行間歇爆破,觀察相鄰兩個裝藥孔之間的窺視孔。一旦發(fā)現(xiàn)相鄰兩個裝藥孔之間的窺視孔裂紋不符合要求,再次進(jìn)行連續(xù)爆破試驗,最終確定爆破孔數(shù)、爆破方法等主要爆破工藝參數(shù)。

        雙向聚能管由專用的聚能管制成,其內(nèi)徑設(shè)為36.5 mm,外直徑42 mm,長度1500 mm。聚能爆破采用3 級乳化炸藥,其尺寸為32 mm×200 mm,并采用炮泥密封,孔長不得少于2.0 m。參考其他煤礦的施工經(jīng)驗,1014 綜放工作面上巷采用了提前50 m 的預(yù)裂切割裂縫。

        2.3 堅硬頂板切頂方案

        鑒于1014 工作面覆砂巖較堅硬,采空區(qū)頂板后懸掛支架間距過大,或采空區(qū)煤矸石冒落較大時,為避免頂板應(yīng)力集中和采空區(qū)漏風(fēng),在頂板原有預(yù)孔的基礎(chǔ)上,在頂板上挖扇形孔,采用深孔松動爆破軟化工作面堅硬砂巖頂板,使頂板充分預(yù)裂松動,保證頂板在采空區(qū)的坍塌和充填[3]。兩組爆破松動孔各為一組,孔深分別為11 m 和14 m,垂直方向為30°和45°(向采空區(qū)傾斜),兩組爆破松孔間距為5 m。松動爆破孔位置如圖2 所示。ZDY1900S 深孔鉆頭用于深孔松動爆破,直徑94 mm。

        圖2 松散爆破孔的位置(單位:mm)

        該工程采用的松散爆破孔上部裝有3 級乳化炸藥,其長度為3000 mm,藥片尺寸為32 mm×200 mm,為了確保爆炸的安全性,采用6 m 長的封孔。為確保安全、簡化操作、充分引爆、確保爆破的可靠性,每個孔洞內(nèi)用兩個微秒級延遲電雷管引爆,每次只能引爆一套。為了防止爆炸氣體從孔口中涌出,對巖體造成連續(xù)的影響,使爆破能量得到最大限度的發(fā)揮,從而增強(qiáng)了超前松散爆破的效果。在1014 綜放工作面上,采用扇形深孔松散爆破孔,對頂板進(jìn)行了軟化處理,并在后續(xù)的跟蹤觀察中,根據(jù)深孔爆破后的崩塌情況,適時調(diào)整深孔松動爆破的各項參數(shù),以保證取得最好的效果。

        3 效益分析

        3.1 技術(shù)效益

        在1014 大采高、綜采工作面上的應(yīng)用,開辟了一種新的采煤技術(shù),開創(chuàng)了采煤技術(shù)變革的新局面。并在此基礎(chǔ)上,提出了110 工法大采高綜采工作面的新技術(shù),并完善了110 工法的相關(guān)理論。根據(jù)現(xiàn)場的具體情況,對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并給出了110 工法在硬頂板環(huán)境下的合理支護(hù)與設(shè)計。最后,對巷道的圍巖分布進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整,使巷道的變形量、巷道底鼓量明顯減?。徊蓤龊拖锏赖膰鷫好黠@降低;采動過程中,因切縫技術(shù)的存在,超前壓降明顯降低,提高了采場的推進(jìn)速度,減少了采空區(qū)頂?shù)装宓膽?yīng)力集中。

        3.2 經(jīng)濟(jì)效益

        1)節(jié)省巷道施工費(fèi)用。利用山西某煤礦1014 工作面剩余1000 m 工作面,通過該技術(shù)可減少巷道掘進(jìn)1000 m,按4000 元/m 的計算,可節(jié)省掘進(jìn)工量,降低掘進(jìn)工人的工作量,降低班組人數(shù),節(jié)省設(shè)備購置、維修費(fèi)用,節(jié)約大量掘進(jìn)經(jīng)費(fèi),有利于整體效益的提高。

        2)提高采煤的利用率。山西某煤礦傳統(tǒng)的采煤方法是工作面間預(yù)留30 m 煤柱。在4.2 m 采高的基礎(chǔ)上,采用新的沿空留巷技術(shù),巷道可多采煤157.95 t/m;按600 元/t 的市場價計算,巷道可增收94.77 萬元/m。

        3)降低巷道的支護(hù)費(fèi)用。采用切頂卸壓的施工工藝,利用“切頂短臂”理論,使巷道沿著采空區(qū)邊緣切頂,阻斷部分頂板壓力,并借助局部頂板巖體,使巷道頂板梁形成短臂,減少圍巖應(yīng)力集中,降低周期性頂板壓力,確保巷道及其圍巖的穩(wěn)定性。

        4 結(jié)語

        一次采全高綜放工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)是一種新型的采煤技術(shù),為國內(nèi)同類礦山的推廣應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。試驗成功后,各工作面減少一條回采巷,減少了巷道的掘進(jìn)量,減輕了煤礦的采掘矛盾,增加了煤炭的出采量;減少煤柱,增加采煤回收率,延長煤礦使用壽命,使煤礦資源得到充分開發(fā);通過對巖體碎脹特征的分析,可以有效地降低地表裂縫的發(fā)生,從而有效地保護(hù)礦山的地表生態(tài),使礦山的生產(chǎn)達(dá)到現(xiàn)代化、高產(chǎn)、高效。

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