戎 鹏
(山煤国际能源集团股份有限公司,山西 太原 030006)
目前无煤柱开采技术主要有沿空留巷和沿空掘巷技术两种。我国煤矿多采用留设窄煤柱进行沿空掘巷,此方式不但会浪费较多的煤炭资源,而且若煤柱宽度留设不合理,还会引起应力集中,导致沿空巷道难以维护。而沿空留巷技术是在工作面回采后利用上一个工作面巷道进行维护服务于下一个工作面,和沿空掘巷比较优点较多。现阶段沿空留巷工艺主要分为构筑充填体留巷与切顶留巷。其中切顶留巷技术是对顶板岩层进行主动控制,及时切顶卸压,有效降低高应力问题,为巷道提供安全稳定的应力环境[1-3]。
鹿台山矿为高瓦斯矿井,沿空掘巷很难满足高效安全生产的要求。以鹿台山矿2202工作面开采、为确保2202轨道顺槽的稳定工程研究对象,对切顶卸压技术应用情况进行深入分析与探讨。
图1 工作面位置
鹿台山煤矿2202工作面开采2#煤层,位于矿井一水平二采区。工作面面长160 m,倾斜推进长1 300 m。工作面布置情况如图1所示,2202工作面位于矿区东北部,北部为本采区矿界,南部为采区回风大巷、皮带大巷、轨道大巷,西部为2203工作面,东部为2201工作面(正在回采)。2#煤层结构简单,赋存稳定,平均厚度为2.2 m。顶底板岩层情况:顶板自下而上分别为灰黑色砂质泥岩,平均厚度为4.25 m,含植物化石;深灰色细粒砂岩,平均厚度为1.76 m,含黑色泥质斑块;灰黑色泥岩,平均厚度为1.5 m;灰色细砂岩,平均厚度为3.81 m。底板自上而下为黑色砂质泥岩,平均厚度为3.54 m,局部含植物化石;深灰色细砂岩,平均厚度为4.7 m,以石英石为主,坚硬。
图2 巷道支护
2202轨道巷布置在2#煤层中,断面为宽4.4 m×高2.8 m矩形,掘进断面积12.32 m2;呈南北向布置,沿煤层顶板掘进,巷道支护采用锚网索组合支护,支护断面如图2所示。
切顶卸压沿空留巷技术即在工作面留巷近回采一侧,对工作面顶板岩层进行超前预裂爆破,沿特定方向进行切顶,降低矿山压力,优化巷道所处应力环境。随工作面推进不断进行切顶卸压,实现沿空留巷,保证巷道的稳定。工作面推进过程中,根据巷道所处状态,分为超前切顶区、滞后临时支护区、成巷稳定区,如图3所示。
图3 切顶卸压沿空留巷支护分区
超前切顶区位于工作面推进最前方,在此区域内进行预裂爆破及顶板卸压后,及时针对巷道顶板围岩进行补强支护,补强支护应在工作面推进面经过前完成,防止受到超前支承压力的影响。工作面推进过程中,煤炭资源回采后,顶板沿预定的切顶线垮落至稳定需要一段时间,此区域需针对顶板进行临时支护和巷帮挡矸支护,该区域大多位于工作面后200 m范围。成巷稳定区位于工作面最后方,随工作面的推进,巷道距离工作面较远时,此时工作面顶板已垮落稳定,对巷道影响较小,此区域只需巷帮挡矸支护即可,顶板临时支护可以撤出[4-5]。
2202工作面轨道巷采用以“超前预裂切缝+顶板补强支护+巷帮挡矸防护+滞后临时支护”为主体的方案设计:通过超前预裂爆破,将巷道顶板岩层与工作面顶板岩层进行分离,切断联系,降低工作面上方顶板岩层垮落对巷道影响的同时有利于采空区顶板沿切缝垮落形成巷帮;通过顶板补强支护,加固巷道顶板厚短悬臂梁结构,增加结构强度,保证巷道顶板稳定,减少顶板下沉;通过巷帮挡矸支护防止采空区矸石涌入巷道,减少巷道两帮变形;通过顶板临时支护支撑顶底板,保证在工作面后方周期来压期间巷道的稳定性,减少滞后临时支护区内顶底板移近量,确保留巷效果。根据上述思路,结合现场工程实际,拟定切顶卸压设计方案。
超前预裂切缝即在巷道和工作面顶板岩层之间进行预裂切缝卸压,阻断老顶之间的联系,减小工作面采空区顶板岩层垮落对巷道的影响,切顶线如图4、图5所示。通过炮眼爆破进行切顶,进而实现顶板预裂切缝。
图4 超前预裂切缝平面
图5 超前预裂切缝剖面
(1)钻孔位置。如图6所示,钻孔距离巷道回采侧巷帮距离为S,根据切顶卸压沿空留巷工程经验,距离S理论上应越小越好,但需考虑钻机的工作空间等因素,结合鹿台山煤矿2202轨道巷钻孔设备型号,确定钻孔与回采侧巷帮距离S取200 mm。
(2)钻孔倾角α、β。倾角α是指钻孔方向与水平方向的夹角(巷道断面图中),β是指钻孔方向与竖直方向夹角(巷道中线剖面图中),如图7所示。两个角度均应考虑顶板钻机施工、切缝效果、切顶后顶板悬露长度等因素,结合2202轨道巷顶板岩层条件,确定钻孔α取90°,β取70°。
图6 钻孔位置
图7 钻孔倾角α、β
(3)切顶高度。影响沿空留巷稳定性的有采空区巷道上方顶板残留边界及工作面端头后方“弧形三角板”等两个主要因素,两因素控制条件均位于煤层上方基本顶细粒砂岩中。因此确定2202轨道巷切顶卸压切缝高度应达到细粒砂岩上方。根据煤层顶板岩层厚度及岩性,确定切顶高度为4.25 m的砂质泥岩+1.76 m的细粒砂岩+1.50 m的泥岩+3.81 m的细粒砂岩的总厚度,总高度为11.32 m。
(4)钻孔深度。如图7所示,预裂切缝钻孔深度应结合工作面顶板岩层条件,由前面分析可知,通过预裂爆破需将工作面上方细粒砂岩完全切断,进而减小顶板垮落对沿空留巷的扰动作用。
钻孔深度H可通过如下临界公式计算:
式中:0.1为切缝钻孔穿透基本顶细粒砂岩厚度,取0.1 m;α为钻孔与竖直方向的夹角,取90°;β为钻孔与竖直方向的夹角,取70°;H0为切顶高度,取11.32 m。
代入计算可得,钻孔深度为12.2 m。
(5)钻孔直径和钻孔间距。根据工程经验,钻孔直径越小,对周围岩石破坏程度越小,更容易控制预裂钻孔长度及形状。根据鹿台山矿所选钻机及钻头设备型号,结合2202工作面顶板岩层厚度及岩性,以及相似工作面工程经验,确定钻孔直径取50 mm,间距取500 mm。
结合鹿台山煤矿工程经验,选用矿用三级乳化炸药,炸药直径ϕ=32 mm,长l=200 mm,重量m=200 g;装药段长度8 m,封孔段长度4.2 m,装药量2.4 kg。
根据以往补强支护工程经验,结合2202轨道顺槽顶板岩层分布情况,设计采用“主动支护+被动支护”的组合补强支护方案。主动支护为锚索补强支护,被动支护为巷道π型梁棚支护。设计在原有支护方式条件下,补打预应力锚索,如图8、图9所示。锚索直径为21.6 mm,长度为10.3 m,每排设置1根锚索,排距为1 m,锚索距煤柱侧帮3.7 m,距回采侧帮0.7 m,锚索锚固段应保证至少插入基本顶细粒砂岩2/3处。被动支护采用在巷道走向布置π型梁棚,采用π型梁,长1.2 m,“一梁两柱”布置,单体柱间距0.6 m,所有单体液压支柱加穿铁鞋,初撑力不小于100 kN,如图9所示。
图8 补强支护剖面
图9 补强支护平面
2202轨道顺槽工程实践采用补强沿空留巷支护方案。在现场试验情况为:在2202轨道顺槽分别进行超前预裂切顶、锚索补强支护;同时对顶板离层情况进行观测,顶板离层值最大为345 mm,出现在950 m处,主要因构造导致,其他数值基本控制在300 mm内,顶板离层量结果符合设计要求。
通过在鹿台山煤矿2202工作面2202轨道顺槽的工程实践,切顶卸压与沿空留巷技术应用取得了良好效果,主要体现在:
1)有效解决了鹿台山矿当前面临采掘接替紧张、采出率低、巷道支护困难和巷道掘进成本偏高等问题。
2)切顶卸压钻孔爆破技术参数比较合理,顺槽补强支护方式效果显著。