工作面切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０３􀆽 ２６ 作者简介秦红强１９８３ － ꎬ男ꎬ山西长治人ꎬ工程师ꎬ从事生产技术工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０６. ００８ 工作面切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术 秦红强 霍州煤电集团 洪洞亿隆煤业有限责任公司ꎬ山西 临汾 ０４１６００ 摘 要某矿为了保证矿井采掘衔接ꎬ减少巷道掘进工程量ꎬ结合矿井地质条件ꎬ在 １ －１０１ 工作面轨道巷 实施了切顶卸压沿空留巷技术ꎬ使保留巷道继续服务于下一工作面的回采活动ꎮ 现场实施后ꎬ通过对留巷 围岩位移监测ꎬ结果表明ꎬ巷道围岩整体较为稳定ꎬ变形较小ꎬ可满足下一个工作面的回采要求ꎮ 关键词切顶卸压ꎻ沿空留巷ꎻ轨道巷 中图分类号ＴＤ８２３. ４８ 文献标识码Ａ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００６􀆽 ００２７􀆽 ０３ Ｃｏａｌ Ｐｉｌｌａｒ Ｆｒｅｅ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ Ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｔｏｐ ｏｆ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｆａｃｅ ｔｏ Ｒｅｌｉｅｖｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ Ｅｍｐｔｙ Ｒｏａｄｗａｙ ＱＩＮ Ｈｏｎｇ􀆽 ｑｉａｎｇ Ｈｕｏｚｈｏｕ Ｃｏａｌ Ｐｏｗｅｒ ＧｒｏｕｐꎬＨｏｎｇｄｏｎｇ Ｙｉｌｏｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ. ꎬ Ｌｔｄ. ꎬ Ｌｉｎｆｅｎ ０４１６００ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｗｏｒｋ ｉｎ ａ ｍｉｎｅꎬ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｕｎｌｏａｄｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏａｄｗａｙ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｖｏｉｄ ｗａｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｃｋ ｒｏａｄｗａｙ ｏｆ １ －１０１ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅꎬ ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｓｅｒｖｅｄ ｒｏａｄｗａｙ ｃｏｕｌｄ ｃｏｎｔｉｎｕｅ ｔｏ ｓｅｒｖｅ ｔｈｅ ｓｔｏｐｉｎｇ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ. Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎꎬ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏａｄｗａｙ ｒｅｍａｉｎｓꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏａｄｗａｙ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｔａｂｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｔｏｐ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏ ｒｅｌｉｅｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅꎻ ｌｅａｖｉｎｇ ａ ｌａｎｅ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｖｏｉｄꎻ ｔｒａｃｋ ｌａｎｅ 我国煤炭资源以往的开采绝大部分均采用留设 煤柱的方式来对工作面周边巷道进行保护ꎬ在这种 开采方式下ꎬ周边巷道受采动影响较小ꎬ围岩稳定性 较高ꎬ工作人员的人身安全能够得到有效保障[１ －２]ꎬ 但是却存在着煤炭资源浪费严重、煤柱应力集中、采 空区易发火等一系列问题ꎬ同时对下层煤回采巷道 的布置同样提出了较高要求[３]ꎮ 随着煤矿开采技术 的不断发展ꎬ工作面沿空留巷被广泛采用ꎬ同时切顶 卸压的提出更是对无煤柱沿空留巷技术的进一步创 新ꎬ矿井在生产过程中的施工量大幅减少ꎬ资源得到 了有效回收[４]ꎮ 某矿为了保证矿井采掘衔接ꎬ减少巷道掘进工 程量ꎬ决定对 １ － １０１ 工作面的轨道巷实施沿空留 巷ꎬ使该留巷继续服务于下一工作面的回采活动ꎮ 本文基于 １ －１０１ 轨道巷的地质条件ꎬ对沿空留巷技 术进行探讨ꎮ １ 工程概况 １ －１０１ 回采工作面地表无河流、湖泊等水体ꎬ 雨季地表径流条件好ꎬ盖山厚度 ３６５ ３６８ ｍꎬ煤层 埋藏较深ꎬ地表水正常情况下无法渗透到井下ꎮ 该 工作面所回采的煤层为 １ 号煤层ꎬ工作面沿走向推 进ꎬ沿倾向布置ꎬ其中走向长度 １ ５００ ｍꎬ倾向长度 １２０ ｍꎮ 所采煤层的平均厚度为 ２. ８ ｍꎬ采用倾斜长 壁综合机械化一次采全高采煤工艺ꎮ １ － １０１ 工作面轨道巷为矩形巷道ꎬ巷道净宽 ４. ５ ｍꎬ净高 ２. ８ ｍꎬ采用锚网索联合支护的方式对 其进行支护ꎬ顶板采用 Ｄ２２ ｍｍ Ｌ２ ４００ ｍｍ 的左旋 螺纹钢高强锚杆ꎬ间排距为 ８６０ ｍｍ １ ０００ ｍｍꎻ锚 索采用 Ｄ２１. ６ ｍｍ Ｌ７ ３００ ｍｍ 的钢绞线ꎬ间排距为 １ ７００ ｍｍ １ ０００ ｍｍꎮ 帮锚杆采用 Ｄ２２ ｍｍ Ｌ２ ２００ ｍｍ的 左 旋 螺 纹 钢 高 强 锚 杆ꎬ 间 排 距 为 ７２ 成成果果应应用用 总第 ２５０ 期 ８００ ｍｍ １ ０００ ｍｍꎮ ２ 煤层顶底板性质 详细掌握巷道的地质条件ꎬ明确巷道顶底板各 岩层的赋存状况以及物理力学属性ꎬ对于选取合理 的技术措施来对 １ － １０１ 轨道巷进行沿空留巷具有 重要意义ꎮ 因此ꎬ在 １ －１０１ 轨道巷顶底板选取合适 的位置进行打钻取芯ꎬ并将所取岩芯密封后带回实 验室对其物理力学参数进行了测试ꎬ测试结果如表 １ 所示ꎮ 表 １ 工作面顶底板围岩赋存情况及力学参数 岩石 名称 密度 / ｇ􀅱 ｃｍ－３ 层厚 / ｍ 弹性模量 / ＧＰａ 抗压强度 / ＭＰａ 内摩擦角 / 泊松比 粉砂岩２. ８５４. ７３.２１２７.７３１.１０.２４ 中粒砂岩２. ２５５. ４４.３６２１.８２４.７０.３１ 泥岩１. ８７０. ８３.６２１６.７２８.５０.３５ １ 号煤１. ４５２. ８２.７５１０.６２６.９０.２９ 砂质泥岩２. ８４４. ３４.４５１７.７２６.２０.２６ 中砂岩２. ６５５. ７５. ８１８.２２５.７０.２４ 从表 １ 中可以看出ꎬ１ 号煤的伪顶为泥岩ꎬ直接 顶为中粒砂岩ꎬ该岩层为灰黑色ꎬ呈薄层状ꎬ并夹有 两层 ０. ２ ｍ 和 ０. １ ｍ 的煤线ꎬ老顶则为灰白色的粉 砂岩ꎬ该岩层较为坚硬ꎬ以石英为主ꎬ呈厚层状ꎮ 直 接底则为灰黑色的砂质泥岩ꎬ夹植物化石碎片ꎬ半坚 硬ꎮ 由各岩层的物理力学参数测试结果可知ꎬ１ 号 煤层直接顶、直接底以及老顶的强度整体较高ꎬ而 １ 号煤层的强度偏低ꎮ 另据矿井地质资料知ꎬ１ － １０１ 工作面回采过程 中共揭露 ２１ 条小断层ꎬ其中对 １ － １０１ 轨道巷围岩 稳定性产生较大影响的断层共有 ９ 条ꎬ其分布状况 如表 ２ 所示ꎮ 表 ２ 对巷道围岩稳定性影响较大的断层分布状况 断层 名称 距开口位置 / ｍ 性质倾向 倾角 / 落差 / ｍ 对巷道稳 定性影响 Ｆ１４５正ＳＥ４８４较大 Ｆ４９６正ＳＥ４５４. ５较大 Ｆ７１０８正ＮＷ４６３较大 Ｆ１０２３４正ＳＥ５０６较大 Ｆ１１２９３正ＳＥ４５４. ７较大 Ｆ１２３５６正ＳＥ４５４. ３较大 Ｆ１４４９８正ＮＷ５５３. ５较大 Ｆ２０６７９正ＮＷ４６３较大 Ｆ２１８６２正ＳＥ４０３. ２较大 断层的存在必然会对原岩应力的分布产生影 响ꎬ为了掌握工作面以及巷道顶板围岩受断层影响 的应力分布情况ꎬ在 Ｆ１０断层附近选取合适的位置布 置了三个地应力测站ꎬ使用水压致裂法对其地应力 分布进行了测试ꎬ测试结果显示三个测站的最大主 应力 均 为 水 平 应 力ꎬ 分 别 达 到 了 １３. ７ ＭＰａ、 １４. ６ ＭＰａ和 １４. ８２ ＭＰａꎬ所对应的侧压系数分别为 １. ３２、１. ４７ 和 １. ５１ꎮ ３ 沿空留巷方案 上述测试结果显示ꎬ１ － １０１ 轨道巷顶板岩层整 体较为坚硬ꎬ同时在断层影响下工作面顶板上覆岩 层受水平应力影响较大ꎬ特别是采空区顶板发生回 转垮落时ꎬ必然会对 １ －１０１ 巷道围岩稳定性造成影 响ꎬ进而使得该巷顶板应力分布更为复杂ꎮ 所以在 对 １ －１０１ 巷道进行保留时ꎬ应及时切断工作面以及 采空区上覆岩层的应力向巷道顶板传递的过程ꎬ从 而使得巷道围岩所处的应力环境相对简单ꎮ 因此ꎬ 决定采用切顶卸压沿空留巷对 １ － １０１ 轨道巷进行 保留ꎮ 由于 １ －１０１ 轨道巷顶板岩层较为坚硬ꎬ若对该 巷道靠近采空区一侧的顶板切落ꎬ使切落的顶板成 为巷道的一帮ꎬ则该巷帮能够对顶板进行有效的支 撑ꎮ ３. １ 切顶卸压技术特点 该技术措施具有如下特点 １ 切顶卸压沿空留巷通过定向爆破技术对巷 道顶板上覆岩层进行定向切割ꎬ进而使得采空区上 覆顶板与巷道顶板有效分离ꎬ较好地阻止了工作面 以及采空区顶板的应力向巷道上方传递ꎬ巷道所处 的应力环境得到有效改善ꎮ ２ 可以有效减少采掘比ꎬ提高经济效益ꎮ ３ 井下回采的安全性得到大幅提高ꎮ ４ 采空区顶板的垮落通过前期的欲裂爆破而 显得规则化ꎬ有利于巷道的管理ꎮ ３. ２ 切顶卸压技术措施 ３. ２. １ 恒阻锚索加强支护 采用恒阻大变形锚索对 １ － １０１ 轨道巷进行补 强支护可以有效保证该巷在欲裂爆破和工作面周期 来压时的稳定性ꎬ同时减小由断层引起的水平应力 对巷道顶板的影响ꎮ 恒阻大变形锚索共布置 ３ 列ꎬ 具体的布置措施如下巷道顶板垂直布置三列恒阻 锚索ꎬ第一列恒阻锚索与原支护方案中的第一排锚 索位于同一排ꎬ距巷帮右帮 ４００ ｍｍ 布置一根ꎻ第二 列恒阻锚索与原支护方案中的第一排锚索间隔一排 布置ꎬ距巷道右帮 １ ４００ ｍｍ 布置一根ꎻ第三列恒阻 锚索与原支护方案中的第一排锚索间隔两排ꎬ距巷 道断面左侧巷帮 １ ４００ ｍｍ 布置一根ꎬ所用恒阻锚索 的型 号 为 Ｄ２１. ８ ｍｍ Ｌ８ ３００ ｍｍꎬ 恒 阻 器 长 ３００ ｍｍꎬ外径 ７２ ｍｍꎬ恒阻值约为 ３３０ ｋＮꎬ预紧力不 小于 ２８０ ｋＮꎮ ８２ ２０２０ 年 ６ 月 秦红强工作面切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术 第 ２９ 卷第 ６ 期 ３. ２. ２ 切缝参数设计 由于岩石具有碎胀性质ꎬ通过对位于采空区一 侧的巷道顶板进行切缝爆破ꎬ使切落后的岩层碎胀 接顶ꎬ从而对顶板起到一定的支撑作用ꎬ有效改善沿 空留巷的应力环境ꎮ 借鉴相关矿井的施工经验ꎬ结 合本矿实际ꎬ将切缝高度设置为 ５. ８ ｍꎬ切缝角度与 垂直方向的夹角为 １５ꎬ切缝线紧贴巷道右侧ꎬ爆破 钻孔间距取为 ５００ ｍｍꎮ 巷道布置断面示意如图 １ 所示ꎮ 图 １ 巷道布置断面示意ｍｍ ３. ２. ３ 爆破技术 对钻孔进行欲裂爆破时ꎬ每个爆破孔间距为 ５００ ｍｍꎬ孔径为５０ ｍｍꎬ每个孔内均安装３ 根长度为 １ ５００ ｍｍ、外径为 ４４ ｍｍ、内径为 ３７ ｍｍ 的聚能管ꎬ 聚能管内部又装有直径为 ３５ ｍｍ、长度为２００ ｍｍ的 乳化炸药ꎬ雷管埋设在炸药内并接有引线ꎬ采用正向 爆破技术ꎮ ３. ２. ４ 挡矸支护 采用切缝爆破后采空区靠近 １ － １０１ 轨道巷一 侧的顶板会被切落ꎬ切落的顶板不可避免地会对巷 道顶板进行挤压、摩擦ꎬ因此当工作面推过后ꎬ需要 对工作面后方 ０ １００ ｍ 范围内的巷道布置单体液 压支柱进行加强支护ꎬ同时在靠近采空区一侧的两 架单体液压支柱之间铺设钢筋网并布置一根工字 钢ꎬ防止采空区内的矸石涌入巷道内部ꎮ 单体液压 支柱的布置方式具体为在切缝线旁边共布置 ３ 根液 压支柱ꎬ且 ３ 根液压支柱均位于同一排ꎬ距切缝线分 别为 ２００ ｍｍ、９００ ｍｍ 和 １ ９００ ｍｍꎮ 排距均为 ８００ ｍｍꎬ滞后临时支护如图 ２ 所示ꎮ 图 ２ 滞后临时支护示意ｍｍ 位于采空区后方超过 １００ ｍ 的巷道待围岩稳定 后可将单体液压支柱撤掉ꎬ并对巷道表面进行喷浆 工艺ꎮ ４ 留巷效果 使用切顶卸压沿空留巷无煤柱技术对 １ － １０１ 轨道巷进行保留后ꎬ选取合适位置布置测站对其围 岩变形进行了为期 １ 个月的现场监测ꎬ监测结果显 示巷道顶板下沉量为 ４５０ ｍｍꎬ两帮移近量为５００ ｍꎬ 巷道断面整体较为工整ꎬ围岩稳定性较高ꎬ可满足下 一工作面的回采要求ꎮ 参考文献 [１] 何满潮ꎬ陈上元ꎬ郭志飚ꎬ等. 切顶卸压沿空留巷围岩结 构控制及其工程应用[Ｊ]. 中国矿业大学学报ꎬ２０１７ꎬ４６ ５９５９ －９６９. [２] 何满潮ꎬ宋振骐ꎬ王 安ꎬ等. 长臂开采切顶短臂梁理论 及其 １１０ 工法 第三次矿业科学技术变革[Ｊ]. 煤炭 科技ꎬ２０１７１１ －９ꎬ１３. [３] 汤建泉ꎬ宋文军ꎬ宋立兵ꎬ等. 切顶卸压沿空留巷切缝设 计与研究[Ｊ]. 煤矿安全ꎬ２０１６ꎬ４７９５３ －５５ꎬ５９. [４] 杨汉宏ꎬ薛二龙ꎬ罗 文ꎬ等. 神华集团切顶卸压自动成 巷无煤柱开采技术的应用[Ｊ]. 煤炭科技ꎬ２０１５３１ －３. [责任编辑王伟瑾] ９２ ２０２０ 年 ６ 月 秦红强工作面切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术 第 ２９ 卷第 ６ 期