何文帥，袁紅平，黨永超，顏少波

(陜西瑞能煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 延安 727307)

0 引言

隨著礦業(yè)技術(shù)、裝備的不斷發(fā)展，沿空留巷技術(shù)得到發(fā)展，降低了巷道掘進(jìn)率、緩解了采掘接替，優(yōu)化開拓開采布局，消除了煤柱上下區(qū)域的應(yīng)力集中，是煤炭資源綠色、安全、高效的開采技術(shù)之一[1-4]。該技術(shù)是指在回采巷道將要形成的采空區(qū)側(cè)定向預(yù)裂，切斷頂板的應(yīng)力傳遞路徑，縮短頂板懸臂梁的長度，減少采空區(qū)側(cè)煤體受到回采動(dòng)壓的影響；工作面回采后，頂板沿預(yù)裂位置滑落形成巷幫，該巷道作為下工作面的運(yùn)輸巷，且其受頂板作用力大大減少，能保證巷道使用期間的穩(wěn)定性。

何滿潮院士提出的切頂卸壓自動(dòng)成巷無煤柱開采技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展的非常完善[5-6]，但是針對個(gè)別礦井的特殊問題，還可進(jìn)一步改進(jìn)。出于安全方面考慮，對116綜采工作面繼續(xù)使用110工法，但是在切頂卸壓技術(shù)上不使用爆破技術(shù)來達(dá)到成巷效果。為此，提出密集孔切頂技術(shù)，并對密集孔切頂技術(shù)在密集孔切縫角度、密集孔切縫高度、密集孔切縫鉆孔間距及其相應(yīng)的支護(hù)方案進(jìn)行研究。

1 切頂卸壓技術(shù)及特點(diǎn)

1.1 切頂卸壓技術(shù)

頂板定向預(yù)裂切縫技術(shù)：利用巖體抗壓怕拉特性，通過頂板定向預(yù)裂爆破裝置，實(shí)現(xiàn)爆破時(shí)在2個(gè)設(shè)定方向上形成聚能流，并產(chǎn)生集中拉張應(yīng)力，使頂板按照設(shè)定方向張拉斷裂形成預(yù)裂面[7-9]。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)能按設(shè)計(jì)位置及方向?qū)敯暹M(jìn)行預(yù)裂切縫，使頂板按照設(shè)計(jì)高度沿預(yù)裂切縫面切落，達(dá)到了既能主動(dòng)切頂又不破壞頂板的目的。

NPR恒阻大變形錨索支護(hù)技術(shù)：針對切頂卸壓自動(dòng)成巷礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，采用具有負(fù)泊松效應(yīng)(NPR效應(yīng))的恒阻大變形錨索對巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)圍巖產(chǎn)生一定大變形后仍能保持穩(wěn)定[10-12]。力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果表明，恒阻大變形錨索具有超常力學(xué)特性，恒阻值及恒阻運(yùn)行長度等物理力學(xué)參數(shù)均居于國際領(lǐng)先地位，采用恒阻大變形支護(hù)材料可以實(shí)現(xiàn)在恒定支護(hù)阻力條件下的拉伸大變形，能夠適應(yīng)并有效控制動(dòng)壓影響下巷道頂板下沉所產(chǎn)生的大變形。

擋矸支護(hù)技術(shù)：針對110工法采空區(qū)矸石垮落特點(diǎn)，聯(lián)合運(yùn)用液壓單體支柱、可縮U型鋼、金屬網(wǎng)等材料對采空區(qū)矸石進(jìn)行防護(hù)，以抵抗頂板垮落過程中對碎石幫產(chǎn)生的側(cè)向動(dòng)荷載。而且可以防止垮落矸石竄入巷道，降低碎石幫在未壓實(shí)穩(wěn)定時(shí)向巷內(nèi)產(chǎn)生較大鼓出變形。

礦壓遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)：為掌握110工法在現(xiàn)場應(yīng)用過程中的巷道圍巖及支護(hù)體礦壓顯現(xiàn)情況，專門研發(fā)了一套與110工法配套的礦壓遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以實(shí)用礦山壓力理論為核心，將恒阻錨索受力及變形、頂板離層、頂?shù)装逡平俊⒘粝锒沃ёo(hù)結(jié)構(gòu)受力、煤體支承壓力、工作面支架壓力等監(jiān)測集于一體，可實(shí)現(xiàn)對整個(gè)工作面全方位一體化實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

切頂卸壓沿空自動(dòng)成巷無煤柱開采技術(shù)，能夠?qū)㈨敯灏丛O(shè)計(jì)位置切落，切斷頂板的應(yīng)力傳遞，能夠使回采巷道自動(dòng)形成巷道，供下一工作面使用，并使其處于卸壓區(qū)，解除了高應(yīng)力環(huán)境的威脅。該技術(shù)能夠消除鄰近工作面煤體上方應(yīng)力集中，控制采空區(qū)頂板垮落，減小巷道掘進(jìn)率，可實(shí)現(xiàn)無煤柱開采。

2 工程背景

116工作面位于121盤區(qū)東北部井田邊界處，呈南北向布置。該工作面北側(cè)距402運(yùn)輸順槽20 m，南側(cè)為北區(qū)回風(fēng)大巷，西側(cè)為112采空區(qū)，東側(cè)為118備采工作面。116綜采工作面全長180 m，推進(jìn)距離380 m，可采煤層為2號煤層，煤層厚度1.8～2.3 m，平均煤厚2.05 m，煤層傾角2°～5°，平均傾角3°，煤厚變化沿回采方向由厚變薄。該礦井屬低瓦斯礦井。116綜采工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 116綜采工作面煤層頂?shù)装迩闆r

3 密集孔切頂技術(shù)

根據(jù)116綜采工作面的地質(zhì)情況，對密集孔切頂技術(shù)研究主要包括頂板定向預(yù)裂切縫角度、頂板定向預(yù)裂切縫高度和頂板定向預(yù)裂切縫鉆孔間距。

3.1 密集孔切縫角度

頂板定向預(yù)裂切縫角度的合理確定對切頂效果有著重要影響。根據(jù)相關(guān)研究表明，確定切縫角度的關(guān)鍵因素為工作面的采高，確定煤層、頂?shù)装宓认嚓P(guān)地質(zhì)條件不變，隨著采高的不斷增加，切縫角度越小。根據(jù)采高H的不同，切縫鉆孔角度(βd)可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，即當(dāng)H≤1 m時(shí)，βd=20°；當(dāng)1 m

因此，116工作面的煤層平均厚度為2.05 m，確定密集孔切縫鉆孔角度(βd)為15°。根據(jù)規(guī)章制度相關(guān)要求，頂板定向預(yù)裂切縫施工應(yīng)至少超前工作面50 m進(jìn)行。

3.2 密集孔切縫高度

密集孔切縫高度的大小直接決定著110工法的成敗。當(dāng)切縫高度較低時(shí)，垮落頂板不足以填滿巷道側(cè)，造成通風(fēng)困難并增加頂板冒落風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)切縫高度較高時(shí)，頂板不易垮落，及時(shí)達(dá)不到預(yù)期沿空留巷效果，并會(huì)帶來一系列安全隱患。合理地確定切縫高度是必要的。

通過頂板定向預(yù)裂切縫高度與采高密切相關(guān)公式可以大致確定鉆孔深度

LF=H/(Kp-1)

(1)

式中，LF為密集孔切縫鉆孔深度，m；Kp為巖石碎脹系數(shù)。

116綜采工作面直接頂為泥巖，基本頂為細(xì)粒砂巖夾泥巖，根據(jù)煤礦常用巖石碎脹系數(shù)表可知，直接頂?shù)乃槊浵禂?shù)小于1.2，基本頂碎脹系數(shù)為1.3～1.5，本次切縫高度計(jì)算中的碎脹系數(shù)取直接頂和基本頂?shù)钠骄?，因此碎脹系?shù)為1.3。將采高H=2.05 m帶入公式得LF為6.87 m。按照工作面上覆巖層垮落后在采空區(qū)破碎后能夠完全充填采空區(qū)為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算垮落帶高度作為密集孔切縫高度的驗(yàn)證?？迓鋷Ц叨鹊挠?jì)算公式為

Hk=H/(Kp-1)

(2)

式中，Hk為垮落帶高度，m；H為采高,m；Kp為巖石的碎脹系數(shù)。碎脹系數(shù)取1.3計(jì)算，該工作面切眼處采高最大為2.6 m，按照最大采高計(jì)算，工作面垮落帶最大高度為8.67 m，即確定密集孔切頂高度LF為8.67 m。116回風(fēng)順槽密集孔現(xiàn)場施工圖如圖1所示。

圖1 116回風(fēng)順槽密集孔現(xiàn)場施工

通過確定合理的切頂高度，切斷頂板側(cè)向懸臂長度，使切頂高度內(nèi)巖層垮落后能充滿整個(gè)采空區(qū)，對更上位的巖層起到了較好的支撐作用，從而優(yōu)化了留巷頂板結(jié)構(gòu)，最大限度地降低頂板巖層回轉(zhuǎn)下沉對留巷的擾動(dòng)作用，沿空留巷圍巖應(yīng)力得到有效改善，其穩(wěn)定性也得到顯著提高。

3.3 密集孔切縫鉆孔間距

頂板定向預(yù)裂切縫鉆孔直徑一般為46～48 mm。根據(jù)巖性不同，設(shè)計(jì)不同的切縫鉆孔間距。頂板為堅(jiān)硬頂板時(shí)鉆孔間距為500 mm，頂板為軟巖頂板時(shí)鉆孔間距為550 mm，頂板為破碎頂板時(shí)鉆孔間距為600 mm；頂板為復(fù)合頂板時(shí)鉆孔間距為500～600 mm。密集孔切頂?shù)年P(guān)鍵技術(shù)就是減少鉆孔間距來達(dá)到定向預(yù)裂切縫效果，使得避免炸藥的使用。密集孔切縫鉆孔間距需要重新確定，根據(jù)之前110工法工作面頂板定向欲裂切縫鉆孔施工后，通過鉆孔窺視儀進(jìn)行探測，鉆孔探測圖如圖2所示。

圖2 鉆孔窺視圖

通過鉆孔窺視儀可以探測鉆孔內(nèi)裂隙的發(fā)育狀況，單一鉆孔情況下，裂隙隨著頂板的增加一直延伸，測得裂隙深度大約為40～60 mm。最終確定密集孔的鉆孔間距為100 mm。密集孔切頂技術(shù)改變了以往繁瑣的步驟。116回風(fēng)順槽密集孔設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 116回風(fēng)順槽密集孔設(shè)計(jì)

4 支護(hù)方案的確定

4.1 NPR恒阻大變形錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

工作面回采后，在頂板周期壓力作用下，頂板沿密集孔切縫自動(dòng)切落過程中，采用NPR恒阻大變形錨索支護(hù)能夠適應(yīng)并有效控制動(dòng)壓影響下巷道頂板下沉所產(chǎn)生的大變形，確保頂板穩(wěn)定。為保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩(wěn)定，在實(shí)施頂板預(yù)裂切縫前采用NPR恒阻大變形錨索支護(hù)巷道。NPR恒阻大變形錨索由一般性鋼絞線、恒阻器、鎖具及托盤等組成。型號HZS35-300-0.5，恒阻值330±20 kN，φ21.8 mm；NPR恒阻大變形錨索最小長度(LH)可按照式(4)進(jìn)行設(shè)計(jì)

LH=LF+2.0

(4)

式中，LH為NPR恒阻大變形錨索最小長度，m；LF為預(yù)裂切縫高度，m。

將數(shù)值帶入得LH為10.0 m，根據(jù)順槽頂板巖性情況及巷道原支護(hù)參數(shù)，恒阻大變形錨索設(shè)計(jì)長度取10.3 m。在距離主幫600 mm、巷中分別施工恒阻大變形錨索，巷旁側(cè)間距800 mm，巷中側(cè)間距2.4 m，距離巷道中心線200 mm(偏向副幫)，孔深10.30 m，鋼絞線外露長度150 mm，預(yù)應(yīng)力值不小于45 MPa。采用防腐讓壓鎖具施工恒阻錨索時(shí)，巷中間排距調(diào)整為1 600 mm，距離巷道中心線200 mm(偏向副幫)。

4.2 巷中及巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)

超后臨時(shí)支護(hù)區(qū)(架后0～180 m)。此段巷道位于工作面超后影響區(qū)，受動(dòng)壓影響明顯，巷道頂板壓力較大根據(jù)現(xiàn)場條件，設(shè)計(jì)U型鋼+鋼筋網(wǎng)+單體液壓支柱支護(hù)。架后0～180 m巷中采用單體液壓支柱+花邊梁進(jìn)行頂板加強(qiáng)支護(hù)，間排距500 mm×500 mm，巷旁采用U型鋼+鋼筋網(wǎng)+單體液壓支柱支護(hù)的支護(hù)方式，單體支柱與U型鋼間距為500 mm。

成巷穩(wěn)定區(qū)(架后180 m之后)。此段巷道受采動(dòng)影響很小，頂板下沉量及單體支柱的壓力變化很小，可認(rèn)為該區(qū)域已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，可將臨時(shí)支護(hù)單體撤掉，只保留U型梁進(jìn)行擋矸，擋矸支護(hù)采用U型梁，U型梁間距500 mm，116回風(fēng)順槽巷旁支護(hù)圖、擋矸支護(hù)側(cè)視圖示意圖如圖4所示。

圖4 116回風(fēng)順槽巷旁支護(hù)圖、擋矸支護(hù)側(cè)視圖

5 現(xiàn)場施工

5.1 施工過程

按順序分為3步，即恒阻錨索支護(hù)、施工密集孔、施工工作面后方巷旁支護(hù)及巷道中部臨時(shí)支護(hù)。回采前，按照恒阻錨索支護(hù)設(shè)計(jì)施工恒阻錨索，回采過程中恒阻錨索施工必須超前工作面不少于70 m；回采過程中密集孔施工必須滯后恒阻錨索20 m且超前工作面距離不少于50 m；當(dāng)工作面推進(jìn)180 m后，對工作面后方巷旁及巷中臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行有序拆除，直至留巷結(jié)束。

5.2 監(jiān)測分析

116回順布置頂?shù)装逡平繙y點(diǎn)，每隔50 m布置一組，監(jiān)測儀器型號為礦用本安型頂?shù)装逡平勘O(jiān)測儀YHU200，對巷道頂?shù)装遄冃吻闆r進(jìn)行監(jiān)測。在116回順臨時(shí)支護(hù)單體間隔50 m安裝一個(gè)單體壓力檢測儀，定期監(jiān)測單體壓力值，并進(jìn)行詳細(xì)記錄。116回風(fēng)順槽頂?shù)装逡平?、單體壓力與工作面推進(jìn)度變化情況見表2。

表2 116回風(fēng)順頂?shù)装逡平?、單體壓力觀測統(tǒng)計(jì)

隨工作面的推進(jìn)，工作面支架后方頂板能夠及時(shí)垮落并充填采空區(qū)，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，巷道頂板最大下沉量為150 mm，底板鼓起量最大為200 mm，留巷斷面平均為4.2 m×2.4 m，巷道頂板未發(fā)現(xiàn)明顯斷裂，巷道內(nèi)恒阻錨索支護(hù)未發(fā)現(xiàn)失效、破壞現(xiàn)象，成巷效果明顯?？梢钥闯?，密集孔切頂技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不但保障了成巷的質(zhì)量，不影響正常安全高效生產(chǎn)，而且減少了藥的損耗以及大量的財(cái)力物力，有利于煤礦的進(jìn)一步快速發(fā)展。

5.3 密集孔留巷的關(guān)鍵

采空區(qū)頂板能否沿密集孔中心線及時(shí)垮落決定了成巷質(zhì)量。采空區(qū)頂板能否沿密集孔中心線垮落一方面由頂板的巖性決定，如頂板的層理、節(jié)理發(fā)育程度；另一方面由密集孔的深度、孔徑、角度決定?，F(xiàn)場密集孔的施工質(zhì)量則成為密集孔在上覆巖層與巷旁側(cè)擋矸支護(hù)的共同作用下能否切斷采空區(qū)基本頂懸臂巖梁與留巷上覆巖層之間聯(lián)系的關(guān)鍵因素。在密集孔參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮頂板巖性、工作面回采高度、采空區(qū)垮落最大高度等因素。如礦井有類似施工經(jīng)驗(yàn)，則優(yōu)先參考類似工程下的施工經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)密集孔參數(shù)。現(xiàn)場施工時(shí)，必須加強(qiáng)密集孔施工質(zhì)量監(jiān)管。重點(diǎn)對密集孔的直線性、深度、角度進(jìn)行監(jiān)管，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，誤差不超過規(guī)定值。施工前，應(yīng)在巷道內(nèi)進(jìn)行防線、描點(diǎn)，提高現(xiàn)場施工的質(zhì)量。條件允許時(shí)，用鉆孔窺視儀對孔深、孔內(nèi)裂縫情況進(jìn)行窺視、統(tǒng)計(jì)，以提高密集孔施工質(zhì)量。留巷過程中必須對留巷段的巷道成形、采空區(qū)頂板垮落情況、巷道內(nèi)恒阻錨索支護(hù)質(zhì)量、原巷道支護(hù)質(zhì)量、底鼓及巷道內(nèi)臨時(shí)支護(hù)等進(jìn)行定期檢查。若工作面回采過后，支架后方采空區(qū)頂板不能及時(shí)垮落造成巷道收斂嚴(yán)重，巷道內(nèi)壓力顯現(xiàn)明顯，則須及時(shí)調(diào)整鉆孔參數(shù)，或采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式對留巷方案進(jìn)行調(diào)整。

6 結(jié)論

(1)合理確定了密集孔切頂技術(shù)相關(guān)的參數(shù)，密集孔切縫角度、密集孔切縫高度、密集孔切縫鉆孔間距。

(2)116綜采工作面回風(fēng)順槽運(yùn)用密集孔切頂技術(shù)成功的保留了巷道，成功留巷150 m；通過監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)成巷效果顯著，并且提高了工作效率，減小了事故風(fēng)險(xiǎn)，為煤礦節(jié)省了大量經(jīng)濟(jì)支出。

(3)針對運(yùn)用密集孔切頂技術(shù)成巷的支護(hù)措施進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，在保障支護(hù)效果的前提下，大大減少了支護(hù)材料的用量，帶來了不小的經(jīng)濟(jì)效益。