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黄家沟煤矿切顶卸压沿空留巷技术研究与应用

吕人杰1,张科学2,3,4,亢 磊2,3,杨海江2,3,王晓玲2,3,朱俊傲2,3

(1.山西华润联盛能源投资有限公司技术部,山西省吕梁市,033000;2.华北科技学院智能化无人开采研究所,北京市石景山区,101601;3.河北省矿山智能化开采技术重点实验室,河北省廊坊市,065201;4.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京市海淀区,100083)

摘 要 为了提高黄家沟煤矿资源利用率,根据黄家沟煤矿21801工作面地质情况与围岩特征,利用切顶卸压和恒阻大变形锚索等技术,设计了黄家沟煤矿沿空留巷方案,通过打设密集恒阻锚索,完成了对巷道的加固和补强支护,确定了切缝孔直径为45 mm,深度为10 m,在开切眼非采侧进行了顶板精准定向预裂切缝,利用挡矸金属网和伸缩式护帮挡矸架对巷帮进行了防护,实现了21801工作面切顶卸压沿空留巷。

关键词 黄家沟煤矿;切顶卸压;沿空留巷;恒阻锚索;预裂切缝

近年来,切顶卸压沿空留巷技术发展迅速,对提高资源利用率、提升经济效益有十分明显的作用。我国学者在切顶卸压沿空留巷技术方面进行了大量的研究:刘大江等[1]利用数值模拟和理论分析方法,实现了良好的挡矸和卸压效果;杨战标等[2]采用D型聚能管定向断裂爆破方法,实现了定向爆破,提高了巷道稳定性;孔庆军等[3]利用矿压监测等方法,构建了底鼓大变形综合控制技术体系,其成果对控制沿空留巷底鼓大变形具有很强的指导意义;陈立军[4]利用一次采全高切顶卸压沿空留巷技术,利用钢带+恒阻大变形锚索进行加固,实现了很好的支护效果;王文林等[5]在复杂应力扰动条件下,利用水压致裂技术,实现了定向预裂,有效控制了留设巷道的变形;范凯[6]针对围岩控制效果不明显等问题,通过检测顶板变形全过程,得到了顶板突变式变形关键点;张占胜[7]通过理论计算,得到了爆炸技术参数,形成了定向切顶爆炸方案,并在实践中成功运用该技术,促进了煤炭的高效开采;陈上元等[8]通过数值模拟分析了深部沿空切顶巷道卸压效果,基于液压支架压力监测,发现了围岩应力演化规律,构建了深井沿空切顶巷道围岩协同控制体系,有效控制了巷道围岩变形;袁超峰等[9]针对留巷侧传递覆岩压力导致留巷围岩破坏失稳的现象,建立了相应力学模型,验证了切顶卸压技术的可行性;王小龙等[10]从瓦斯管理、预裂切缝参数、采空区支护等方面分析了沿空留巷的流程,解决了沿空留巷上隅角瓦斯积聚问题;梁华杰等[11]利用高强度锚索配合单体液压支柱迈步抬棚,并对超前支护巷道顶板预裂爆破,达到了巷道的稳定支护;马新根等[12]总结了切顶卸压沿空留巷技术的工艺流程及工序关系,将留巷分为动压承载区、煤体支撑区和成巷稳定区,并建立相应的力学简化模型;朱珍等[13-16]分析了切顶卸压沿空留巷原理及其关键技术,制定了与开采环境相适应的技术方案,达到了良好的成巷效果;何满潮等[17-19]研究了不同煤层状况、不同开采方式和不同地质状况条件下的切顶卸压沿空留巷方法,实现了煤矿的安全开采,节约了大量的煤炭资源。

然而,相关学者多是对切顶卸压沿空留巷技术的支护设计、顶板精准预裂切缝和巷帮防护等单个方面进行研究。本文通过现场实践,深入研究了黄家沟煤矿切顶卸压沿空留巷技术,有效地控制了顶板的下沉,保证了巷道围岩的稳定性,提高了煤炭资源采出率,对同类型地质条件下的切顶卸压沿空留巷技术的应用提供借鉴。

1 工程概况

山西临县华润联盛黄家沟煤矿设计生产能力为120 Mt/a,目前开采8号、9号煤层。21801回采工作面位于黄家沟煤矿21采区,工作面东部为保安煤柱,西部为实体煤,南部为21采区回风巷,北部为矿界。工作面标高+820~+890 m,地面标高+1 095~+1 080 m。工作面走向长度为1 300 m,开切眼长180 m,煤层结构简单,煤层中含1层夹矸,厚度为0.12 m,岩性为泥岩。根据现场揭露情况,煤层厚度3.4~4.3 m,平均3.6 m,工作面地质与开采条件普遍较好,但是一般都留设20~30 m左右的煤柱。不合理的区段煤柱不仅造成了资源的浪费,而且造成采空区应力集中,给后续煤层巷道布置和围岩控制增加难度,且常规开采方式采掘接续紧张,严重制约着矿井的高产高效。因此从生产安全和技术经济的角度对黄家沟21801工作面应用切顶卸压沿空留巷技术。

2 沿空留巷方案

试验段确定在21801工作面运输巷,利用切顶卸压技术和恒阻大变形锚索等设备,通过顶板的精准预裂,切断了局部范围内顶板应力的传递,使得工作面内巷道顶板压力变小,且精准预裂很好地保留了工作面巷道顶板完整性[20]。同时利用恒阻大变形锚索等设备对顶板和巷道进行了补强加固,有效地控制了顶板的下沉,使得预留的巷道围岩最大限度地发挥自身承载作用,减少巷道围岩的变形,保证沿空留巷的效果。21801运输巷切顶卸压留巷施工位置和区段划分如图1所示。

图1 21801运输巷切顶卸压沿空留巷施工位置和区段划分

3 支护设计

恒阻锚索加固主要包括沿空留巷起始位置的锁口加固区和沿空留巷中间段加固区域。恒阻锚索加固如图2所示。

(1)沿空留巷起始位置的锁口加固。通过在起始位置打设密集恒阻锚索,完成对巷道锁口的加固和补强支护[21]。顶板采用恒阻大变形锚索补强支护,采用规格为Φ21.8 mm×11 300 mm的1×19-1860型钢绞线,破断力≥550 kN。恒阻大变形锚索打设数量为每排4根,间距和排距均为1 m,沿垂直于顶板的方向布置。采用300 mm×300 mm×16 mm的平托盘,使用W型钢带进行连接,W型钢带选用2 600 mm×300 mm×3 mm的钢板制作。锚固剂采用3根Z2360树脂锚固剂,锚索锚固力450 kN,恒阻值为350±20 kN,预紧力≥280 kN,恒阻锚索锁口加固支护如图3所示。

(2)沿空留巷中间段加固。沿空留巷中间段打设2列恒阻锚索进行加固,第1列距离留巷帮700 mm,排距为1 000 mm,第2列距离留巷帮2 200 mm,排距为2 000 mm。恒阻大变形锚索沿垂直顶板方向布置,托盘选用300 mm×300 mm×16 mm的平托盘,中间加工Φ100 mm圆孔。第1列恒阻锚索之间使用W型钢带连接(W型钢带与巷道平行),W型钢带选用2 600 mm×300 mm×3 mm的钢板制作。锚固剂采用3根Z2360树脂锚固剂,暂定锚索锚固力450 kN,暂定恒阻值为350±20 kN,预紧力≥280 kN。恒阻锚索中间段加固支护,如图4所示。

图2 恒阻锚索加固示意

图3 恒阻锚索锁口加固支护

图4 恒阻锚索中间段加固支护

4 顶板精准定向预裂切缝设计

为了达到更好的留巷效果,在21801工作面开切眼处切顶,确定在开切眼非采侧进行切缝,长度为30 m(距运输巷0~30 m),切缝孔垂直于顶板,切缝线距煤壁500 mm,间距1 000 mm,切缝孔直径Φ45 mm,深度10 m。21801工作面运输巷切缝孔距工作面帮200 mm,沿巷道顶板平行布置,间距500 mm,切缝孔直径Φ45 mm,深度10 m,切缝孔角度与铅垂线夹角选取15°(倾向采空区侧)。21801工作面顶板精准定向预裂切缝设计如图5所示。

5 巷帮防护设计

利用挡矸金属网(钢筋网)和伸缩式护帮挡矸架对巷帮挡矸进行防护[22-23]。伸缩式护帮挡矸架型号为RTD29-2000/02,搭接长度不小于1 000 mm,间距为500 mm,每排设1组伸缩式护帮挡矸架。金属网为钢筋网和菱形网。在端头过渡支架移架后,首先紧邻支架搭接挡矸金属网,然后再架设伸缩式护帮挡矸架。挡矸金属网和伸缩式护帮挡矸架均位于切缝下方靠近巷道采空区一侧,与切缝边缘贴近。其中伸缩式护帮挡矸架在架设前要提前做好柱窝,柱窝要求低于巷道底板100 mm。巷帮防护设计如图6所示。

图5 顶板精准定向预裂切缝设计

图6 巷帮防护设计

6 切顶卸压沿空留巷矿压监测

6.1 爆破孔窥视情况

采用CXK12矿用钻孔成像仪对8号和9号煤层21801运输巷沿空留巷切缝孔爆破情况进行窥视。在项目实施初期和中期进行2次爆破钻孔窥视。项目实施初期,分两次分别对超前预裂切缝进行窥视。一是在钻孔装药前、爆破后分别进行窥视;二是在爆破后在两个爆破钻孔中间补打窥视钻孔进行窥视。补打窥视钻孔与爆破钻孔参数相同,必须位于两爆破钻孔连线中间。

以560号钻孔为例,窥视孔深度8 m,此孔为爆破孔。560号钻孔展开图见图7。通过顶板窥视,可以看出顶板经过放炮后有明显的裂纹存在,裂缝基本保持连续,最大裂缝宽度可达10 mm,绝大部分钻孔都已出现坍塌。以上情况说明目前选用爆破参数基本能够实现切顶效果。

6.2 测站观测情况

根据切顶卸压沿空留巷的留巷距离,架后留巷段共布置9个测站,每个测站由1套单体柱可缩量、1套巷道表面位移测点组成。21801运输巷测站布置如图8所示。

根据现场实测数据可以看出,21801留巷段顶板下沉很小,最大值达到100 mm,没有出现底鼓情况,底板淤煤较多,变形量最大的地方主要集中在留巷段水仓位置,由于此段顶板跨度大,水仓顶板未经过加固处理。巷道变形在设计允许范围内,留巷效果良好。

图7 560号钻孔展开图

图8 21801运输巷测站布置

7 结论

(1)21801工作面成功沿空留巷1 300 m并成功复用,通过矿压观测数据分析,所留巷道围岩控制稳定,顶板平均变形量135 mm,两帮平均变形量350 mm,满足现场使用标准。

(2)恒阻大变形锚索支护强度满足沿空留巷中对顶板的控制,有效控制了巷道大变形。顶板精准预裂切断了局部范围内顶板应力的传递,在巷道上方一定范围内的顶板形成短臂梁结构,使所留巷道处在卸压区域,保证了沿空留巷的效果。

(3)完成了留巷及采煤工作面矿压观测,观测数据分析表明,顶板精准定向预裂切缝改变了巷道围岩应力分布,所留巷道处于低压力区域,有效降低回采周期压力,保证了巷道围岩的稳定性。

(4)21801工作面切顶卸压沿空留巷的成功试验,有效缓解了工作面采掘接续紧张的问题,多采出煤炭资源12万t,取得直接经济效益约6 000万元。

参考文献:

[1] 陈立军. 一次采全高综采工作面切顶卸压沿空留巷技术[J]. 煤炭工程, 2020,52(8): 60-63.

[2] 陈上元,何满潮,王洪建,等. 深井沿空切顶巷道围岩协同控制及应力演化规律[J]. 采矿与安全工程学报, 2019,36(4): 660-669.

[3] 袁超峰,袁永,朱成,等. 薄直接顶大采高综采工作面切顶留巷合理参数研究[J]. 煤炭学报, 2019,44(7): 1981-1990.

[4] 王小龙,董志勇. 高瓦斯煤层切顶卸压无煤柱自成巷技术应用研究[J]. 工矿自动化, 2019,45(7): 97-101.

[5] 杨战标,赵万里,丁坤朋,等. 定向爆破技术在沿空留巷中的应用[J]. 煤炭工程, 2020,52(11): 52-56.

[6] 王文林,马赛. 大采高工作面复杂应力扰动下切顶卸压沿空留巷技术[J]. 煤炭工程, 2020,52(4): 33-37.

[7] 孔庆军. 砌块充填沿空留巷底鼓大变形控制技术研究[J]. 煤炭工程, 2020,52(10): 34-38.

[8] 范凯. 龙滩矿沿空留巷顶板突变式变形规律与复合支护切顶技术[J]. 采矿与岩层控制工程学报, 2020,2(3): 32-39.

[9] 张占胜. 切顶卸压爆破技术在沿空留巷中的应用[J].煤炭技术, 2019,38(11): 6-8.

[10] 马新根,何满潮,李先章,等 .切顶卸压自动成巷覆岩变形机理及控制对策研究[J]. 中国矿业大学学报, 2019,48(3): 474-483.

[11] 刘大江,许旭辉,朱恒忠,等. 中厚煤层坚硬顶板切顶卸压主动留巷关键参数研究[J]. 煤矿安全, 2020,51(12): 237-243.

[12] 梁华杰,张凤杰. 石泉煤矿切顶卸压沿空留巷方案[J]. 工矿自动化, 2019,45(5): 104-108.

[13] 朱珍,何满潮,王琦,等. 柠条塔煤矿自动成巷无煤柱开采新方法[J]. 中国矿业大学学报, 2019,48(1):46-53.

[14] 朱珍,张科学,何满潮,等. 无煤柱无掘巷开采自成巷道围岩结构控制及工程应用[J]. 煤炭学报, 2018,43(S1):52-60.

[15] 朱珍,张科学,袁红平. 切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技术及应用[J]. 煤炭科学技术, 2018,46(3):25-32.

[16] 朱珍,袁红平,张科学,等. 切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉分析及控制技术[J]. 煤炭科学技术, 2018,46(11): 1-7.

[17] 何满潮,马新根,牛福龙,等. 中厚煤层复合顶板快速无煤柱自成巷适应性研究与应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2018,37(12): 2641-2654.

[18] 何满潮,谢和平,彭苏萍,等. 深部开采岩体力学研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2005(16):2803-2813.

[19] 何满潮,齐干,程骋,等. 深部复合顶板煤巷变形破坏机制及耦合支护设计[J]. 岩石力学与工程学报, 2007(5):987-993.

[20] 王炯,刘雨兴,马新根,等. 塔山煤矿综采工作面切顶留巷技术[J]. 煤炭科学技术, 2019,47(2):27-34.

[21] 田元帅. 切顶卸压留巷的补强支护技术应用实践[J]. 山东煤炭科技, 2020(9):36-38.

[22] 金志远,张益东,高林生,等. 大采高工作面煤壁防片帮措施[J]. 煤矿安全, 2013,44(4):214-216.

[23] 李帅,王宏宇,魏庆龙,等. 厚煤层切顶留巷散体帮挡矸支护技术现场试验研究[J]. 煤矿安全, 2020,51(1):56-59.

Research and application of gob-side entry retaining technology with roof cutting and pressure relief in Huangjiagou Coal Mine

LV Renjie1, ZHANG Kexue2,3,4, KANG Lei2,3, YANG Haijiang2,3, WANG Xiaoling2,3, ZHU Ju'nao2,3

(1. Technical Department of Shanxi Huarun Liansheng Energy Investment Co., Ltd., Lvliang, Shanxi 033000, China;2. Institute of Intelligent Unmanned Mining, North China Institute of Science and Technology, Shijingshan, Beijing 101601, China;3. Hebei Provincial Key Laboratory of Mine Intelligent Mining Technology, Langfang, Hebei 065201, China;4. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

Abstract In order to improve coal resource utilization rate of Huangjiagou Coal Mine, based on the geological conditions and surrounding rock characteristics of the 21801 working face of Huangjiagou Coal Mine, and using technologies such as roof cutting and pressure relief technology and anchor cables with constant resistance and large deformation, the gob-side entry retaining scheme for Huangjiagou Coal Mine was designed. Through installing intensive constant-resistance anchor cables, the roadway was reinforced and supported, the diameter and depth of joint-cutting hole was determined as 45 mm and 10 m respectively, and the precisely oriented presplitting cutting was carried out on the non-mining side of the open-off cut, and the roadway was protected by gangue-resisting metal mesh and retractable wall-protecting and gangue-resisting supports, the gob-side entry retaining of 21801 working face was realized.

Key words Huangjiagou Coal Mine; roof cutting and pressure relief; gob-side entry retaining; constant-resistance anchor cable; presplitting cutting

中图分类号 TD322; TD353

文献标志码 A

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引用格式:吕人杰,张科学,亢磊,等. 黄家沟煤矿切顶卸压沿空留巷技术研究与应用[J]. 中国煤炭,2021,47(8):41-47. doi: 10.19880/j.cnki.ccm.2021.08.007

LV Renjie,ZHANG Kexue,KANG Lei, et al. Research and application of gob-side entry retaining technology with roof cutting and pressure relief in Huangjiagou Coal Mine[J]. China Coal,2021,47(8):41-47. doi: 10.19880/j.cnki.ccm.2021.08.007

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51804160),中央高校基本科研业务费资助项目(3142019009),河北省自然科学基金资助项目(E2019508209),深部岩土力学与地下工程国家重点实验室(北京)开放基金资助项目(SKLGDUEK1822)

作者简介:吕人杰(1981-),男,安徽宿州人,工程师。E-mail:lvrenjie3@chncoal.com.cn

通讯作者:张科学(1986-),男,河南永城人,博士,副研究员,现任华北科技学院智能化无人开采研究所所长、煤矿机械化自动化关键技术研发平台主任。E-mail:zhkexue@163.com

(责任编辑 郭东芝)