浅部中厚煤层综采工作面切顶卸压护巷实践
时间：2023-02-17 09:55:09 来源：千叶帆 本文已影响人
王强
四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司 四川广安 638020
沿空护巷是无煤柱开采技术的一大分支，它是维护在工作面后方的采空区边缘巷道。沿空护巷就是在工作面回采过程中，通过巷内加强支护、有效的巷旁支护等方法，将原巷道保留下来，作邻近工作面的一条巷道使用，其目的是一条巷道可以得到两次利用。沿空护巷可以提高资源回收率，极大缓解采掘接替紧张的状况，它是煤矿无煤柱开采的重要技术发展方向，是煤矿开采及回采巷道布置技术的一项重大改革[1]。随着开采强度增加，推进度加快，传统砌筑混凝土墙沿空护巷方式耗费职工大量体力，不利于安全生产。龙滩煤矿开采的二叠系龙潭组一段K1煤层，煤层埋深较浅，龙滩矿井在浅部中厚煤层条件下，采用预裂爆破切顶卸压进行综采工作面沿空护巷，实践结果表明，超前支护工作面护巷巷道，超前预裂爆破工作面采空区侧顶板，工作面推进后采空区顶板直接垮落形成护巷墙体。通过沿空护巷采用先超前、后补强支护的手段，经过矿压观测，滞后工作面200m外，巷道顶板下沉量及两帮移近量变化减小，逐渐趋于稳定，护巷效果明显[2]。成功实施中厚煤层综采工作面切顶卸压沿空留巷试验，对具有类似地质条件的煤层实施沿空留巷提供借鉴意义。
1.1 工作面参数及顶底板情况
3124北工作面位于龙王洞背斜轴部宽缓区域、龙滩矿井3116南工作面以南，开采二叠系龙潭组一段K1煤层，工作面煤层总厚0.35～2.90m，平均2.12m。位于二叠系下统龙潭组一段K1煤层中；
基本顶为中厚层状粉晶灰岩（f=10～12），厚度4.95-7.4m；
直接顶为砂质泥岩及薄层砂岩，f=2～6，厚度4.6-6.5m；
伪顶岩性为碳质泥岩，f=4～6，厚度0.4-1.2m。其平均瓦斯含量7.05m3/t～11.56m3/t，煤层爆炸指数9.55%，K1煤层具有煤与瓦斯突出危险性。采面采用走向长壁后退式回采工艺，采空区处理采用全部垮落法。
1.2 工作面巷道支护参数
工作面机巷净宽4.3m，净高2.6m，两帮垂直于底板（水平面），S净=11.18m2，巷道开挖断面为宽4.5m，高2.7m，S掘=12.15m2。因巷道布置在K1煤层中，故沿走向布置，煤层倾角0°～2°。巷道顶板选用直径为Φ20mm，长度为2.2m的金属树脂锚杆，间排距均为800mm×800mm；
采用碟状托盘压紧金属网，螺母为防松螺母。帮锚选用选用直径为Φ16mm，长度为1.8m的金属涨壳式可回收锚杆。加强锚索选用直径为Φ15.24mm钢绞线锚索加强护顶，锚索为单排布置，排距为3.2m。护顶辅助材料选用直径不小于10mm钢筋自制的钢筋梯将顶锚杆联成一体，并铺网孔50mm×50mm的菱形金属网护顶[3]。
1.3 工作面生产组织
工作面生产组织采用“三八制”作业，每天中、夜班生产，早班检修，同时沿空护巷人员进行工作面超前支护和后方护巷施工及喷浆工作。
2.1 工作面切顶卸压护巷方案
2.1.1 工作面超前支护
在3124北上顺超前20m范围支护采用“一梁两柱”棚式（单体液压支柱+11#工字钢），沿巷道走向按排距800mm布置，并在超前段巷道西侧沿巷道倾向（采用钢筋梯+锚索的方式）按800-1000mm距离布置一排加强支护。提前在巷旁0.5m处采用密集支柱同时在采空区距下帮1m处向顶板爆破切顶，采空区顶板切落形成墙体后进行挂网喷浆和加强支护工作。
2.1.2 工作面补强支护
滞后支护区巷内支护采用“一梁两柱”棚式钢梁（单体液压支柱+11#工字钢）支护进行加强护顶，加强护顶范围为当班砌墙起点起至以南20m，其支护距离紧随综采支架推移方向循环迈步进行。棚式钢梁采用11#工字钢加工制作，长3.8m，支柱采用DW35-250/100X单体液压支柱，棚式钢梁紧靠锚梁槽钢北侧沿巷道倾向居中布置，排距800mm，钢梁支护过程中棚式支架若与锚梁（锚索）重合，棚式支架间距可适当进行调整，但调整最大排距不得超过1000mm[4]。
2.2 工作面预裂爆破孔设计
（1）施工地点及长度：施工深孔预裂眼孔为上顺槽西侧按间距500mm布置一排炮眼，眼孔直径不得小于45mm。眼孔角度略向工作面倾斜15～20°夹角。聚能管眼孔沿工作面走向方向布置，施工时保证眼孔质量，应平直齐，成一条直线。
（2）根据目前矿使用的直径Φ32mm×300mm/卷的三级煤矿许用炸药，选用聚能管内径为Ф35mm、外径为Ф40mm，炮孔直径为50mm。采用毫秒延期电雷管。聚能管在加工钻孔眼时，施工一排密集眼孔，眼孔Ф4mm，眼孔间距3-5mm。
（3）为保证周边平整度、半边孔痕率及有效保护支架上方顶板，还应保证炮孔利用率，药量确定为小于1kg/孔[5]。
（4）预裂爆破孔施工方法。预裂爆破孔工器具：切顶钻机、Ф50mm钻头、PVC管（内径为Ф35mm外径为Ф40mm）。单孔预裂切缝效果图和顶板沿预裂缝切落效果图分别如图1和图2。
图1 单孔预裂切缝效果图
图2 顶板沿预裂缝切落效果图
2.3 沿空护巷矿压监测
2.3.1 测站布置与观测方法
在3124北上顺切顶护巷段前方50m开始共布设三个测区，测区布置如图所示。其中工作面前方布置I测区距离已采工作面800m，II区距离I测区50m，III测区距离II测区50m；
每个测区分别安设2个观测站，观测站之间的距离2m。
2.3.2 观测计划
（1）巷道相对位移量测试。两帮及顶底板位移侧点在各测区埋设后，距开采工作面0～10m范围内，每天观测两次；
11～20m范围内每天观测1次，21～50m范围内，每3天观测一次；
50m以外每周观测一次。
（2）顶板离层及两帮深处位移观测。回采期间（作为机巷使用时）的观测时间：距回采工作面0～10m范围内，每天观测两次；
11～20m范围内每天观测1次，21～50m范围内，每3天观测一次；
50m以外每周观测一次。
2.3.3 巷道收敛变形总体分析
2019年10月18日～20日，3124N上顺槽强制放顶阶段，顶板下沉变化较为明显，其下沉变化量为6mm，两帮移近量为4mm；
2019年10月21日～26日，采空区整体垮落阶段顶板下沉变化量为9mm，两帮移近量为10mm；
2019年10月下旬至11月上旬，测站1随3124N工作面回采推进顶板下沉量及两帮移近量逐渐增大，尤其是2019年10月29日-11月7日，顶板下沉量及两帮移近量变化比较明显，其板下沉量为8mm，两帮移近量为11mm[6]。
龙滩矿井3124北上顺顶板超前采用锚网索作为巷道的基本支护形式，在3124北上顺里程K0+50m段至K0+600m段进行切顶卸压沿空护巷试验，超前施工预裂爆破孔进行预裂爆破，工作面采空区顶板经预裂爆破切落形成墙体，并及时喷浆和加强支护，成功护巷长度550m，巷道平均高度2.6m。护巷后巷道围岩基本保持了完整，实践效果表明，采用预裂爆破切顶卸压护巷，巷道顶板未发生离层来压等现象，达到了预期的护巷要求。3124北上顺切顶卸压护巷墙体喷砼后整体效果图如图3所示。
图3 切顶卸压护巷墙体喷砼后整体效果图
通过沿空护巷采用先超前、后补强支护的手段，经过矿压观测，滞后工作面200m外，巷道顶板下沉量及两帮移近量变化减小，逐渐趋于稳定，护巷效果明显[7]。
采用预裂爆破切顶卸压进行综采工作面沿空护巷，解决了传统砌筑混凝土墙进行沿空护巷费时费力的问题，确保了顶板支护和作业人员安全，同时多回收了煤柱[8]。3124北工作面可多回收原煤（按预留4m煤柱，工作面走向长1400m，平均煤厚按2m计算，则预留煤柱原煤量=1400×4×1.45×2=1.62万t），按龙滩矿井目前煤炭销售平均煤价450元/t计算，直接经济效益达到729万元，该方式沿空护巷不仅为矿井生产接替节省了宝贵的时间，同时创造了可观的经济效益，对具有类似地质条件的煤层实施沿空留巷提供借鉴意义。
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