鹿台山煤矿切顶卸压无煤柱成巷技术应用分析_吕雷.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 0引言 我国煤矿绝大部分采用井工开采的方式， 其中长 壁开采时最常用的开采方式。 长壁开采中相邻工作面 一般采用留设区段煤柱来进行护巷， 区段煤柱有大煤 柱与小煤柱之分， 但是无论是大煤柱还是小煤柱都在 一定程度上造成资源的浪费， 且留煤柱开采每个工作 面必须掘进两条巷道这在一定程度上也造成了经济 的浪费。由何满潮[1]院士提出的 “110 工法” 就可以很 好地解决上述的问题，“110 工法” 即在采空区侧定向 爆破切顶， 利用矿山压力， 切断部分顶板的应力传递， 进而实现自动成巷和无煤柱开采， 并逐步形成切顶卸 压自动成巷完整技术工艺。 本文针对鹿台山煤业 2 号 煤层留设区段煤柱护巷造成资源浪费以及由于留设 区段煤柱产生较强的应力集中危害生产等问题， 经过 查阅大量的相关文献以及大量的矿井调研， 提出切顶 卸压无煤柱开采技术。 2工程概况 2205 工作面煤层赋存稳定， 结构简单， 煤层最厚 3.20m， 最薄 1.35m， 平均 2.5m 左右， 工作面北部煤层 为全煤， 南部煤层距底板 1.5m左右有一层 0.1～0.4m 的夹矸。2 号煤层结构表如表 1、 围岩结构见表 2。 表 1煤层结构表 表 2围岩结构表 3切顶卸压无煤柱成巷机理 传统的长壁采煤根据相邻工作面之间是否留设 区段煤柱分为留煤柱长壁采煤法和无煤柱长壁采煤 鹿台山煤矿切顶卸压无煤柱成巷技术应用分析 吕雷 （山西煤炭进出口集团鹿台山煤业有限公司 ， 山西 晋城 048000 ） 摘要针对鹿台山煤业 2 号煤层留设区段煤柱护巷造成资源浪费以及由于留设区段煤柱产生较强 的应力集中危害生产等问题， 经过查阅大量的相关文献以及大量的矿井调研， 提出切顶卸压无煤柱开 采技术； 并通过分析切顶卸压的作用机理， 提出本矿的切顶卸压的具体参数以及相应的支护方式； 通 过现场观测表明所选用的参数较为合理。 关键词 切顶卸压 ； 无煤柱 ； 预裂切缝 中图分类号 TD323文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0030- 03 Analysis on Technology Application of Cutting Top Unloading and Non-pillar Alley in Lutaishan Coal Mine LV Lei （Shanxi Coal Import and Export Group Lutaishan Coal IndustryCo., Ltd. , Shanxi Jincheng 048000 ） Abstract in view of the waste of resources caused by coal column protecting lanes in the remaining section of coal seam No. 2 in lutai mountain coal industry and the strong stress concentration hazards of coal pillar in the remaining section, after consulting a lot of relevant literature and a lot of mine research, the paper puts forward the technique of cutting top to relieve pressure without coal pillar mining. By analyzing the action mechanism of the cutting top unloading pressure, the concrete parameters of the cutting top unloading pressure and the correspondingsupport s are put forward. The field observation shows that the selected parameters are reasonable. Key words shearingtop offpressure ; Nocoal pillars ; Pre- fissure seams 含煤 地层 煤层 编号 煤层厚度 （m ） 煤层结构 煤层 稳定 程度 备注 最小-最大 平均 矸石 层数 类别 顶板 岩性 底板 岩性 P1s2 1.35-3.20 2.5 1简单 泥岩 砂质 泥岩 泥岩 砂质 泥岩 稳定 全区 可采 名称岩石情况厚度岩性特征 老顶细料砂岩1.76m 深灰色细粒砂岩， 含黑色泥质斑 块 直接顶砂质泥岩4.25m 灰黑色砂质泥岩， 厚层状、 含植 物化石 伪顶炭质泥岩及灰色泥岩0.1-0.5m不稳定 伪底 底板砂质泥岩3.54m 黑色， 厚层状、 含砂量不均匀， 局 部含植物化石 老底深灰色细砂岩4.7m 成分以石英石为主， 坚硬， 含黑 色泥质条带 30 ChaoXing 法。 我国绝大部分矿井都采用在相邻工作面之间留设 区段煤柱采煤方法， 但是留设区段煤柱有着很多的问 题， 例如， 如果区段煤柱尺寸太大时， 则易造成资源的 浪费； 如果尺寸太小时， 又对矿井的安全生产造成了 隐患。近些年， 针对上述问题我国的技术人员提出的 无煤柱开采技术得到了飞速的发展， 例如西安科技大 学发明的柔模混凝土沿空留巷技术、 高水材料充填护 巷技术等。 切顶卸压自动成巷技术是近年来新兴起的 一种无煤柱开采技术， 它与普通的无煤柱开采技术有 着本质的区别，该技术不需要再使用另外的充填材 料， 而是通过将顶板预裂， 提高采空区垮落矸石的碎 胀体积， 最后当工作面推过后使其自动成巷。 其技术 原理如图所示。 无煤柱自动成巷有着诸多的优势， 例 如避免工作面上隅角瓦斯积聚、改善留巷的应力环 境等。 图 1无煤柱自动成巷原理图 4顶板预裂爆破切缝机理及参数设计 4.1双向聚能张拉成型爆破受力分析 1 ） 聚点条状能流。 当药包在双向张拉聚能爆破装 置中引爆后， 其产生的应力波与气体就会自己找寻释 放的空间来释放包装产生的能量， 由于双向聚能装置 的特殊结构， 因此在药包在爆炸后由于聚能孔的导向 作用， 应力波和气体就会顺着导向孔释放， 形成一股 沿着切缝方向的能量流。对于整个装置而言， 药包爆 炸后， 会沿着聚能管的长度方向在聚能孔方向上形成 两个点状能量流面如图 2 （a ） 所示。[2] 2 ） 双向拉张作用。 当药包起爆后， 由于聚能管的特殊结构使得其爆 炸产生的应力波会首先向聚能孔方向释放， 沿着聚能 孔的方向的围岩产生裂隙。 接下来， 随着爆炸的进行， 在应力波的作用下，在炮孔及孔壁周围形成应力场。 由于受到爆炸产生的应力场的作用， 沿着炮孔的径向 方向会受到压应力的作用产生张拉作用力并出现应 力集中， 如图 2 （b ） 所示。 这部分集中应力充分应用了 岩石 “抗压怕拉” 的力学特性， 从而促进裂隙 （面 ） 的进 一步扩展、 延伸。[2][3] （a ） 聚点条状能流模型 （b） 聚能拉张作用模型 图 2双向聚能拉张预裂爆破特征图 4.2双向聚能张拉成型爆破过程受力分析 当进行聚能爆破时， 在其爆破过程中， 此装置有 着如下的力学作用 1 ） 对于聚能管周围的岩体， 在其爆炸过程中， 将 会对周围的岩体产生 “压” 作用， 如图 3 （a ） 所示， 这时 岩体的局部地区集中受压。 2 ） 利用岩石 “抗压怕拉” 的力学特性， 因此在设计 是就要使沿着爆炸设定的方向集中受拉， 而炮孔附近 的岩体均受压， 对应该力学模型如图 3 （b） 所示。[2][3] （a ） XOY 平面聚能受压模型 （b）XOY 平面聚能张拉模型 图 3双向聚能张拉成型爆破受力模型 4.3预裂切缝关键参数设计 1 ） 切顶高度。 切顶高度是指通过爆破技术对顶板进行定向切 割从顺槽顶板到最高处切缝的垂直距离。 定向爆破切 割顺槽顶板是本次设计的核心部分， 足够的切缝高度 要保证切下的矸石能够支撑起来采空区上覆岩层基 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 31 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 本顶的活动。 根据何满潮院士提出切缝高度理论计算 公式可知 [4] 预裂切缝深度 （H缝） 临界设计公式如下 H缝H煤- ΔH1- ΔH2/K- 1 式中 ΔH1为顶板的下沉量， m； ΔH2为底臌的量， m； K为岩石的碎胀系数， 1.3～1.5。 由计算可得 H缝8.3m。 2 ） 切缝角度。 通过与相似地质以及开采条件的矿 井对比分析可知切缝的效果与角度有着明显的关 系，切缝角度的不同不但能够采空区顶板的垮落效 果， 而且还能够影响应力集中区域的分布。因此确定 本次最佳切缝角度为 15。 3 ） 切缝孔间距。 在聚能爆破中， 炮孔间距的大 小是关系着切顶卸压质量的主要参数， 其对裂缝的宽 度以及贯通情况有着很大的影响。 由矿井资料分析其围岩状况后选择炮孔间距为 1000mm。 （4 ） 装药量。聚能爆破所采用的聚能管外径 Φ42mm， 内径Φ37mm， 管长 2000mm。所采用的炸药 为 3 级煤矿许用乳化炸药，炸药规格为 Φ32mm 200mm/ 卷。 双向聚能拉伸爆破采用不耦合装药， 不耦 合系数 1.3， 正向爆破。[5] 4.4顶板预裂切缝现场试验 顶板预裂切缝的质量是本次试验的关键环节， 因 此根据本矿井的实际生产条件设置合理的参数是本 次研究的重中之重。 现场试验方案为根据前期矿井调研， 先进行一个 孔的试验并检查其爆破效果后确定单个孔的爆破参 数， 然后进行多孔试验， 根据效果确定其最佳间距以 及确定一次最佳起爆爆破孔的个数。 根据现场试验的结构可以得出， 每孔采用 3 根聚 能管， 装药量为 321， 封泥长度为 2m， 同时起爆 5 孔， 爆破后切缝孔的平均裂缝率达到 88。 4.5现场监测 通过地表岩移及裂缝观测， 发现在采用 110 工法 后， 地表裂缝和下沉得到明显改善。周期来压最大值 以及步距都有一定程度的减小， 顶板下沉量较小。 5结论 本文研究鹿台山煤矿留煤柱所存在的问题， 经过 查阅大量的相关文献以及大量的矿井调研， 提出切顶 卸压无煤柱开采技术； 并通过分析切顶卸压的作用机 理， 提出本矿的切顶卸压的具体参数以及相应的支护 方式； 得到以下主要结论 （1 ） 根据鹿台山煤矿地质条件， 通过研究切顶成 巷无煤柱力学机理， 通过理论计算得到了预裂切缝的 切缝高度、 角度和孔间距等， 并通过现场试验来确定 最佳的装药量； （2 ） 通过监测表明， 本次切顶卸压成巷技术取得 了良好的效果。 结果表面， 矿井采用此技术后， 可以实 现实现综采面开采高产高效的目标， 产生较大的经济 效益， 并可以从根本解决煤柱自然发火、 应力集中引 起的下顺槽巷道难维护等技术难题。 参考文献 [1] 何满潮,宋振骐,王安,杨汉宏,祁和刚,郭志飚.长壁开采切 顶短壁梁理论及其 110 工法第三次矿业科学技术变 革[J].煤炭科技,2017 （01） 1- 913. [2] 张志杰. 哈拉沟煤矿切顶卸压沿空留巷开采技术研究 [D].西安科技大学,2018. [3] 金桑桑. 新型装药结构对预裂爆破效果影响的试验研究 [D].贵州大学,2017. [4] 蔚保宁. 浅埋煤层综采面切顶卸压无煤柱开采技术研究 [J].内蒙古煤炭经济,2016 （17） 93- 95. [5] 陈上元,郭志飚,马资敏,胡金柱,王进,朱盛,张民.城郊矿切 顶聚能爆破参数优化研究 [J]. 煤炭技术,2016,35 （08） 17- 19. 作者简介 吕雷 （1989-） ， 男， 汉， 山西长治人， 2010 年毕业于山西 煤炭技术学院采矿工程专业， 助理工程师， 研究方向 采矿工 程。 （收稿日期 2019- 4- 18） 32 ChaoXing