祥升煤矿3301 工作面切顶卸压自动成巷技术研究_白旭飞.pdf

祥升煤矿 3301 工作面切顶卸压自动成巷技术研究 白旭飞 （山西潞阳煤炭投资经营管理有限公司 ，山西 寿阳 045000 ） 摘要 针对祥升煤矿采用 20m的区段护巷煤柱存在着资源浪费、煤柱应力集中明显以及采空区易 自燃等问题。以祥升煤矿 3301 工作面为研究背景， 对预裂切缝的各个参数进行理论计算以及对补强 支护进行设计， 并在祥升煤矿 3301 工作面进行现场实践。 结果表明 采用切顶卸压成巷技术实施效果 良好， 并且能够为祥升煤矿带来良好的社会、 技术以及经济效益。 关键词 区段煤柱 ； 切顶卸压 ； 预裂切缝 中图分类号 TD263文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0001- 04 Research on the technology of automatic roadway ation in 3301 working face of Xiangsheng coal mine BAI Xufei （Shanxi LuyangCoal Investment Management Co., Ltd. , Shouyang 045000 , China ） Abstract For Xiangsheng Coal Mine, the use of 20m section road protection pillars has problems such as waste of resources, obvious stress concentration ofpillars, and easy spontaneous combustion in the goaf. Taking the 3301 working face of Xiangsheng Coal Mine as the research background, the theoretical calculation of each parameter of pre- splitting and cutting and the design of reinforcement support are carried out, and the field practice is carried out on the 3301 workingface ofXiangshengCoal Mine. The results showthat the technologyofcuttingroofand pressure reliefintolanes has good implementation effect and can bringgood social, technical and economic benefits toXiangshengCoal Mine. Keywords section coal pillars ; cuttingtop and pressure relief; pre- splittingand cutting 0引言 我国的煤矿大都数采用尺寸较大的区段煤柱 来保护工作面的巷道， 但是留设区段煤柱存在着资 源浪费、 煤柱应力集中现象明显以及采空区发火等 一系列问题。近年来， 随着煤炭资源的日益枯竭， 无 煤柱开采技术由于其能够解决煤炭资源的浪费、 缓 解生产接续紧张以及解决顶板控制困难等优势， 逐 渐被大多数矿井所青睐。 2008 年何满潮院士以及陈上元,郭志飚等提出 “切顶短壁梁” 理论, 即在采空区侧通过定向爆破形 成预裂切缝， 在工作面回采过程中利用矿压切断部 分顶板的应力传递， 使巷道自动成形， 从而实现无 煤柱开采， 并逐步形成切顶卸压自动成巷完整技术 工艺, 称之为长壁开采 110 工法。我国学者在何满 潮院士的基础上对切顶卸压开采技术进行了深入 的研究， 并在多处矿井进行了现场实践， 均取得了 较好的经济效益[1， 2]。 1工作面概况 祥升煤矿 3301 工作面北侧为聚金湾洗煤厂， 东侧为亨元煤业有限公司， 该工作面上方石门河横 穿工作面， 周围均为农用耕地。地面标高 1080m， 工作面标高 885- 920m, 工作面埋深 215- 416m。 3301 综采工作面是祥升煤矿矿 3 煤三采区第 一个工作面。东面为亨元煤业 6、 8 煤采空区。其 余周边均为实体煤层。 工作面可采走向长度 966 m， 切眼斜长 210 m。顶底板岩性见表 1。 表 1顶底板岩性表 2顶板预裂切缝设计 本文拟采用 “切顶卸压预裂顶板 补强锚索支 护” 为主体的设计方案， 在工作面的一侧布置预裂 切缝孔， 通过炸药将顶板以上关键块切断， 同时采 用补强锚索对顶板进行补强加固。 2.1顶板预裂切缝参数 近年来兴起的聚能爆破技术， 在矿井生产中得 到了较好的应用， 聚能爆破技术是将炸药爆炸后所 产生的能量通过特定的聚能装置使得炮孔围岩在 垂直于巷道走向的方向上受拉， 而在平行于巷道走 向的方向受压， 依靠岩石抗压怕拉的特性， 使巷道 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 煤层 顶底 板情 况表 顶板名称岩石名称厚度 （m ） 老顶细砂岩1.73 直接顶泥岩5 直接底细砂岩1.9 老底炭质泥岩5.3 1 ChaoXing 上覆岩层能够按设预设方向拉裂成型， 从而实现被 爆破体按设定方向张拉断裂成型[3]。该工艺对比以 往的炸药直接爆破， 有着诸多的优点， 如施工工艺 简单、 爆破炸药单耗小以及钻孔周边岩体所受损伤 小等一系列优点。 2.1.1预裂切缝高度 根据以往经验，预裂切缝的高度应满足大于 2.5 倍的采高； H缝 （H煤- ΔH1- ΔH2） / （k- 1） 式中 H 煤为采高，取 2.0m； ΔH1为顶板下沉 量， m； ΔH2为底臌量， m； K 为顶板岩石的碎涨系 数， 1.3～1.5，通过加权平均计算得采空区顶板垮落 后岩石碎胀系数 k 为 1.38。 在不考虑底臌及顶板下沉的情况下 H缝 （H煤- ΔH1- ΔH2） / （k- 1） 2/ （1.38- 1） 5.26m 综合考虑上述计算结果， 同时考虑顶板上覆岩 层的岩石分布情况， 预裂切缝孔深度初步取值为 H 缝 6.0m。 2.1.2预裂切缝角度 切顶角度是指顶板切缝与铅垂方向的夹角。按 照切顶卸压机理， 预裂切缝结构面两侧岩块需沿切 缝顺利滑落， 避免形成铰接岩梁结构以传递上覆岩 层压力。为此， 建立力学分析模型如图 1 所示， 假设 在切缝结构面的两侧岩块间形成铰接岩梁， 切缝结构 面与垂直面成 θ 角， 岩梁的厚度为 h， 长度为 L， 岩 块 B 有滑落趋势时，岩块 A 在水平挤压力 T 的作 用下沿切缝接触面对岩块 B 将产生摩擦阻力 fk[4] fk （Tsinθ- Rcosθ） tanφ 而岩块 B 沿切缝的接触面受到滑动作用力 fh 为 fhRcosθTsinθ 若 fh≥fk，则铰接处岩块 B 沿切缝结构面滑落， 由此可得切顶角度应满足 Tsinφ- θ≤Rcos （φ- θ） θ≥φ- arctanR T ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 岩块 A 与岩块 B 之间的水平挤压力 T 可用下 式进行计算 T FZLZ1 2 （HZ- SZ） 式中 FZ为岩块 B 及其上覆软弱岩层重量， kN； Lz1为岩块 B 沿工作面倾向的长度， 即岩层顶板沿工 作面倾向的断裂步距； Hz 为岩块 B 的厚度， 即岩层 厚度 4.0m； Sz 为 B 岩块回转下沉量， SZηmLZ1， η 为顶板下沉系数， 取 0.02， LZ2为岩块 B 沿工作面走 向长度，即岩层顶板沿工作面走向断裂步 距 LZ1LZ2h RT 3nq■ 10.9m， n 为岩层趋向断裂时的安 全系数， 取 n3[4]。 FZ 3 i1 ∑SΔHZiγZi 式中 SΔ为岩块 B 的面积， SΔLZ1LZ2/2， m2； Hzi 为关键块及上覆软弱岩层的厚度， m； γzi为关键块 及其上覆软弱岩层的各层容重， kN/m3[4]。 图 1切缝结构面处岩块咬合平衡 由理论计算可得，切缝角度为 15 （倾向采空 区侧铅垂线夹角） 。 2.1.3预裂切缝装药量 根据现场实践经验先取切缝孔间距为 500mm， 在上述切缝高度、角度以及孔间距确定的情况下， 通过现场爆破试验确定装药量， 一次爆破孔数以及 爆破方式等。具体方案为先进行单孔爆破确定每个 钻孔的装药量， 再进行间隔爆破， 验证炮孔间距是 否合理，最后进行连续爆破试验确定单次起爆孔 数。爆破方式试验有单孔爆破、 间隔爆破以及一次 连续爆破。 由现场爆破试验可以得到，在 3310 皮顺和 3301 专用回风巷交界处开始进行切缝钻孔施工并 预裂爆破， 切缝钻孔布设于 3310 皮顺回采侧， 切缝 孔间距 500mm， 角度 15， 钻头直径为 48mm， 深度 6000mm， 采用三级煤矿乳化炸药， 炸药规格为直径 Φ32 400mm/ 卷 ， 单 孔 装 药 9 卷 ， 封 泥 长 度 1200mm。 2.2补强锚索设计方案 由于在切顶过程以及采动过程中会产生压力 影响巷道的稳定性， 因此需要在预裂顶板前采用补 强锚索补强加固， 以保证巷道的稳定性。 根据相似矿井设计经验， 并结合补强锚索在留 巷过程中所起到的悬吊上覆岩层的作用， 因此在设 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 2 ChaoXing 计补强锚索时应综合顶板岩层的分布 （尤其是上覆 坚硬稳定岩层的位置） 、巷道现有支护参数及瓦斯 抽放钻孔的布置情况，因此补强锚索设计长度为 8.3m。 结合相似矿井以及以往设计经验， 并考虑矿井 现有支护方案，此次补强锚索支护方案参数为 沿 着工作面走向的方向， 布置 2 列锚索， 均垂直于顶 板 ， 第 一 列 补 强 锚 索 距 工 作 面 500mm， 排 距 1000mm；第二列距巷道副帮 1400mm 布置，排距 2000mm。在第一列相邻补强锚索之间使用 W 钢带 进行连接， 补强锚索支护图如图 2 所示， 巷道支护 展开见图 3。 图 2补强锚索支护设计 图 3补强锚索加强支护巷道展开图 补强锚索取为 119 芯的 φ21.6mm 高强度钢 绞线， 长度为 8300mm， 预紧力不小于 25t， 其他参数 同普通顶板锚索。 2.3巷道临时支护 在巷道现有支护的情况下， 为保护切顶卸压区 域附件的安全性， 除补强锚索外还需要进行临时支 护。根据以往现场监测数据， 将工作面附近划分为 超前支护区（工作面前方 30m ） 、超后临时支护区 （工作面后方 200m ） 以及成巷稳定区， 不同分区根 据需要采取不同的支护措施[5]。 2.3.1超前支护区 （煤壁前方 0～30m ） 此段巷道位于工作面超前采动影响区， 需要超 前加强支护， 结合工作面现有设备条件， 采用单体 液压支柱配合 “π“ 型梁进行超前支护。 巷道支护断 面及参数如图 4 所示。 图 4工作面超前支护方案 2.3.2架后临时支护区 （架后 0～200m ） 此段巷道动压影响明显， 顶板压力较大， 因此此 段区域需要临时加强支护。 主要采用单体支柱进行顶 板支护， 采用钢筋网、 单体支柱与可伸缩 U 型钢进行 联合挡矸支护。巷道支护断面及参数如图 5 所示。 图 5工作面架后临时支护方案 2.3.3成巷稳定区 （架后 200m 之后） 此段巷道受采动影响很小， 顶板已趋于稳定状 态， 可将临时支护单体撤掉， 只保留可伸缩 U 型钢 进行挡矸支护[6]。巷道支护断面如图 6 所示。 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 3 ChaoXing 图 6成巷稳定区支护方案 3实施效果分析 根据上述理论分析及实践经验所获得切顶卸 压的关键参数，在祥升煤矿 3301 工作面进行了现 场应用。 图 7锚索受力检测曲线 由图 7 锚索受力检测曲线可以反映出切顶卸 压的作用过程以及切顶的效果。工作面超前动压影 响范围大约为 20m 左右，在工作面前方 5～10m， 工 作面超前动压影响显著， 锚索受力急剧增大， 锚索 受力从 100MPa 增大到 170MPa，当工作面推过后， 锚索上的受力急剧减小，当工作面推过后 40m 左 右， 锚索上的受力趋于稳定， 数值约为 68MPa， 表示 顶板已经沿着预裂切缝断裂并切落卸压。 4实施切顶卸压的价值 4.1综合效益 节约资源， 提高资源利用率、 缓解了采掘接续 矛盾、 有利于巷道的维护、 减小了工人的劳动强度、 保障了安全生产以及有利于提高生产效率。 4.2经济效益 按照 3301 工作面皮带顺槽留巷长度 842m核算 1）常规布置方法。 布置 842m巷道， 人工费 85.2 万元， 材料费 211.8 万元， 合计 297 万元。 2）切顶留巷布置方法。计算依据 包括切缝钻 机、单体柱费用时（折旧按 10） 切顶留巷布置 842m 巷道， 人工费 67 万元， 材料费 222.5 万元， 合 计 289.5 万元。 3）经济效益对比。常规布置方法， 巷道成本费 为 3527 元 /m；切顶留巷布置方法，巷道成本费 2955 元 /m， 每米可节约资金 572 元。 5结论 1） 针对祥升煤矿 3301 工作面具体条件， 通过 理论计算与工程类比确定切顶卸压的具体参数为 切缝高度 6.3m、 角度 15、 切缝孔间距为 500mm。 2） 采用切顶留巷布置方法， 巷道成本费每米可 节约资金 572 元。 3） 祥升煤矿采用切顶卸压自动成巷技术现场 应用效果良好。 参考文献 [1] 何满潮,陈上元,郭志飚等.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,2017,46 （05） 959- 969. 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