切顶卸压自动成巷无煤柱开采支护工艺优化

2022-07-13张鸿

现代矿业 2022年6期

张鸿

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部）

随着浅层煤炭资源日渐枯竭，越来越多的煤矿开始向着深部开采，由于深部开采时的矿压波动和应力波动较大，需要留设煤柱进行加强，防止出现垮塌事故，但采用留设煤柱的方案资源浪费较为严重，为了解决该问题，陈上元等［1］提出了“切顶悬臂梁”及切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术，取得了较好的应用效果，但在应用中也存在着综采效率低的不足。张农等［2］通过对岩层物理性质的分析，指出了岩层受力和顶板变形之间的关系，为优化支护结构奠定了基础。迟宝锁等［3］对复杂地形条件下巷道变形严重的问题，提出了采用恒阻大锚索作为巷道顶板支护核心的观点，为国内复杂地形条件下的自动成巷无煤柱开采工艺提供了理论依据。

在对煤矿井下地质情况及原有无煤柱开采支护现状进行分析的基础上，确定了采用恒阻锚索支护+切顶卸压的支护作业方案，重点对该工艺方案的应用要点进行了研究。通过恒阻大锚索加强、双向聚能爆破预裂、井下巷道支护优化等，在提高巷道支护稳定性的情况下提高巷道支护效率，满足井下支护安全性的需求［4-5］。

1 巷道原支护模式分析

晋能控股煤业集团晋圣公司亿欣煤业XV1306综采面处于15#煤的一盘区，该综采面的标高为964 m，井下煤层的厚度为2.0～2.6 m，平均厚度为2.3 m，中部含夹矸厚0.3 m，综采面的倾角为3°～8°，煤层的平均倾斜角度为2.9°，巷道的基本顶为K2灰岩，直接赋存在煤层上方，厚8.9～16.36 m。在顶板下位上方8.9 m处有厚度为1.7 m的砂质泥岩和0.4 m的煤线。直接底为泥岩，厚1.8 m。以长壁式综采方案为主，机械化综采率较高，该井下综采面在综采过程中利用全部垮落法来对顶板进行管控，其采用110工法自动成巷技术，设计在XV1213切顶留巷461 m。综采面上的揭露煤层的厚度是2.0～2.6 m，均厚2.3 m，煤层为中等偏厚煤层，在综采面范围内的煤层地质结构相对稳定，在煤层内含有2层夹矸层，而且所存在的夹矸层主要是细砂岩。

井下巷道的断面尺寸为2 600 mm×5 200 mm，目前支护时采用的钢锚杆索+钢筋梯的综合支护结构，巷道的顶锚杆主要采用了直径为20 mm的高强度锚杆、直径为15.24 mm锚索，所使用得钢板的规格为300 mm×300 mm，整体支护结构相对简单，但巷道稳定性较低，极易发生变形，根据实际监测巷道两侧围岩的最大变形量达到了517 mm，难以满足井下综采作业效率和安全性的需求。因此本研究提出了新的以聚能爆破切顶卸压为核心的无煤柱开采方案，并通过采用恒阻大锚索和巷道永久支护相配合的方案，满足无煤柱开采安全性需求，提高井下综采作业安全性。井下巷道原有支护结构如图1所示。

对顶板的预裂切缝，采用了双向聚能爆破预裂技术，该技术的核心是将爆破药设置在具有聚能效应的结构中，当在爆破时，爆破药能在设定的方向上形成一个集中的冲击效果，使岩层按照预设的方向撕裂成型，在保证预裂切缝效果的情况下，提升爆破的稳定性。

预裂切缝深度Hf计算式为

式中，Hm为工作面采高，m；ΔH1为顶板下沉量，m；ΔH2为底鼓量，m；K为碎胀系数。

晋城蓝焰煤业股份有限公司巷道内直接顶为硬度较大的K2灰岩，本设计中K暂按1.2取值。通过地质勘探，煤层的厚度分布较为稳定，因此在不考虑底鼓的情况下，工作面采高按2.6 m计算。计算得预裂切缝深度Hf=7.23 m。

由于井下巷道的直接顶K2灰岩厚度达到9 m，根据井下实际的施工经验，切断关键层K2灰岩后巷道的垮落才能更充分，留巷效果更好，故确定切缝深度需要大于9 m，经过多次对不同深度切缝垮落效果的分析，最终选择井下预裂切缝的深度为10 m。

为了达到最佳的预裂效果，根据井下实际验证，切缝孔布置与顶板夹角选取10°～20°，切缝孔之间的距离分别设置为0.4，0.5，0.6 m，为了提升爆破预裂效果，当切缝的距离为0.6 m时，需要在2个切缝之间设置1个深度不小于3 m的浅孔，通过对比，确定最佳的切缝孔间距。

在采用爆破法确定井下爆破参数时，分别对400，500，600 mm切缝间距情况下进行单孔爆破试验，确定单孔内的最佳装药量和封泥的距离，当确定完成后再进行间隔孔爆破试验，对相邻爆破孔内的爆破情况进行测定，直到确定最佳的一次爆破孔数量和起爆方式。

最终确定采用双向聚能管为特殊加工结构，管装置的直径设置为41.5 mm，内部的尺寸设置为36.5 mm，管装置的深度为1.5 m。爆破时选用的炸药为高爆药芯，爆破药的药芯直径为35 mm，爆破药长度为200 mm，每个爆破孔内的爆破药设置为3.6 kg，爆破孔口利用炮泥进行封孔，封孔长度为1.5 m，最佳切缝距离为600 mm。在进行切缝孔选择时，由于直接顶为硬度较大的K2灰岩，在设置切缝孔时过大的钻进角度会导致钻进效率低而且容易导致岩层破裂，因此切缝孔的钻进角度选择10°，保证了钻进效率和稳定性的统一。

2 恒阻大变形锚索支护方案

为了保证在井下巷道施工期间的稳定性，在对XV1213巷道顶板进行预裂切顶前，采用恒阻大变形锚索补强加固，具有施工工艺简单、防变形效果好的优点。由于K3灰岩距离工作面顶板11 m，恒阻锚索应超出切缝孔且锚固在稳定岩层中不低于1 m，考虑到切缝参数，恒阻大变形锚索的长度定为12.3 m。

第一列锚索和留巷边缘的距离设置为600 mm，所设置锚索排与排之间的距离为1 000 mm。第二列锚索和第一列锚索之间的距离为1 000 mm，其排与排的距离设置为200 mm，变形锚索要和巷道顶板呈垂直布置，托盘选用290 mm×290 mm×20 mm的平托盘，中间加工直径为100 mm的圆孔。

第三列锚索和第二列锚索之间的距离可以设置为1 700 mm，锚索排与排之间的距离设置为2 000 mm，锚索和巷道顶板呈75°角设置。第一列处设置W钢带进行连接，钢带的布置方向要和巷道的走向一致，W钢带选用2 600 mm×300 mm×5 mm的钢板制作。恒阻器规格选用φ72 mm×500 mm，其工作时的恒阻值需要根据井下巷道的支护情况设置，一般设置为33±2 t，工作时的预紧力不得低于27 t，恒阻锚索支护图如图2所示。

3 井下永久支护工艺优化

由于巷道在综采面的架后影响范围内，当该区域内的围岩垮落后将对顶板产生明显的冲击和摩擦，而且由于巷道顶板垮落后比较松散，因此受采动的影响较大，顶板处会产生较大的压力。为了提高支护的安全性，在架后0～200 m采用单体柱+π型梁“1梁4柱”以及单体液压支柱+U型钢可缩支架进行挡矸支护的方案。在巷道中间部位布置“1梁4柱”，其布置尺寸可设置为1 m×1 m，同时在巷道的切缝位置设置1排单体支柱，和井下的U型支护钢筋采用交替布置的方式。U型钢内挂钢筋网和菱形网防止矸石窜入巷道，井下巷道支护结构如图3所示。

跨落成巷帮在顶板随着综采作业的进行不断地被压实，抵抗采动影响的能量不断加强，此时巷道顶板的下沉量以及支柱的支护压力的变化都趋于稳定，就可以将“1梁4柱”支护变为“1梁3柱”支护结构，根据矿压观测的数据分析，再变为“1梁2柱”，直到巷道内的单体支柱逐步全面撤出，只保留钢筋网进行挡矸，该支护模式具有结构简单，支护可靠性好的优点，能够在保证支护强度的前提下有效地提升支护效率。

4 应用效果分析

对巷道及工作面的变形情况进行监测，从距留巷开端地方200 m范围内每20 m设置1个测站，随后每隔50 m布置1个测站，每个测站由1套顶板离层监测仪、1套恒阻锚索受力监测仪及一套单体支柱受力监测系统组成，巷道两帮移近量监测设施、侧压监测设备根据实际状况进行布置。

将监测设备布置完成后，定期对监测数据进行分析，从而确定在巷道综采作业期间的变形量，巷道顶板的变化曲线如图4所示。

由监测结果可知，优化后巷道顶板下沉量由最初的694 mm降低到了目前的197.6 mm，变形量降低了71.5%，显著地提升了井下巷道围岩的稳定性。在进行仿真分析时，巷道顶板的变形量约为800 mm，优化后的巷道顶板下沉量约为249 mm，优化后的变形量比优化前降低了68.9%。实际测量结果和仿真分析结果的偏差仅12.2%，表明了仿真分析结果的有效性，对后续优化巷道支护结构，为合理支护提供了支撑和根据。

同时由于优化了井下综采工艺，简化了支护结构，因此实际综采作业效率由最初的4.6 m/d提升到了目前的5.22 m/d，井下综采作业效率提升了13.5%，有效提升了井下综采作业的效率和安全性。