深井工作面卸压沿空切顶成巷无煤柱开采技术

深井工作面卸压沿空切顶成巷无煤柱开采技术

沿空留巷是我国深部煤炭开采的主要发展方向。它可以实现无煤立柱的开采，提高资源回收率，降低开采比例，避免因留下煤层、突出顶板和突出屋顶而造成的影响和地压。此外，y通风等也是解决深层采矿区及工作区角角砖瓦聚集问题的有效手段。国内外学者和工程技术人员对薄煤层、厚煤层和总放置煤层进行了大量的研究工作，并在薄煤层、厚煤层和总放置煤层等方面取得了一定的应用。在技术上，不同类型的道路维护采用木框架、工字钢框架、缩框架、锚网等。巷外防护包括木格、细柱、石拱、混凝土砌块、石膏、石膏、高水材料等。中国科学家孙恒虎、华新竹、李华敏等分析了《空改巷顶板活动规律》，并介绍了计算和确定道路支撑结构的支撑负荷的方法。张东生、马立强等分析了《空改巷基本单元的形状和各种组成方法》对顶板活动和道路相关部件的影响。柏树建立了具有修复壳的肋巷力学模型，并介绍了相关条巷支撑参数的确定方法。上述结果在技术和理论上取得了良好的发展和应用，但围绕着多孔斜槽的活动规律、围岩与分支的相互作用、胡同和周边立柱的保护等研究了上述工作。进入深部开采后,沿空巷道地压大,围岩变形量大,支护物损坏严重,巷道返修量剧增,维护成本升高,严重影响沿空巷道的安全经济性.针对深部沿空巷道的维护,若一味增加巷内和巷旁支护材料的强度和可缩性,只会增加支护成本和施工工序的复杂性,既不经济也不现实.本文以四川芙蓉矿区白皎煤矿深部工作面无煤柱开采为工程背景,从改善沿空巷道力学环境这一根本问题入手,利用采场矿压化害为利的思想,系统开展了基于卸压为主、支护为辅原则下的沿空切顶成巷深井无煤柱开采关键技术研究.1切割屋顶压沿空轴开采技术1.1减少临工作面应力集中开采该技术采用爆破超前预裂顶板,在采场周期来压下沿空切顶,形成对上覆基本顶岩梁的支撑结构,控制基本顶的回转和下沉变形,实现卸压;切落的顶板形成巷帮,隔断采空区,从而保留工作面下平巷,实现单面单巷采掘模式.该方法具有消除临近工作面煤体上方应力集中;减小采掘比,提高生产效率,操作简单,造价低廉;避免留设煤柱引发的冲击地压、瓦斯突出、自燃灾害等优势.开采工艺方法:1)首采面上下平巷施工.2)下平巷采空侧超前加固锚索及顶板预裂爆破施工.3)动压临时加强支护及远程实时监测系统布设.4)工作面回采.5)沿空挡矸高强支护,采场顶板周期来压,沿爆破切缝断裂成巷帮.6)工作面后方矿压稳定区对沿空巷道继续实施刷帮卧底及补强等二次维护措施.7)工作面后方成巷区进行采空区侧防漏防火等密闭措施处理.该技术的关键步骤是防冲增阻锚索加固顶板、双向聚能张拉爆破预裂顶板、沿空挡矸高强密集支柱支护顶板,实现3项关键步骤需要研发配套的关键技术及装置材料.1.2采场顶板导向,巷道围岩不断扩大,支护能力得到了改善坚硬顶板垮落后,会导致沿空巷道巷旁支护一侧外采空区内形成较长的不易垮落的悬顶,悬顶的出现,将会对沿空留巷产生以下两方面的影响:1)沿空巷道上方由于悬顶的存在,导致坚硬直接顶与基本顶之间层面接触应力明显降低,接触层面很容易因为变形的不协调而在层间产生滑移,使得接触层面发生剪切破坏.2)悬顶给巷内支护产生较大的附加作用力,巷旁靠近采空区侧顶板下沉增大,促使直接顶与基本顶之间离层.由于悬顶梁的旋转变形以及悬伸岩层上覆压力的作用将导致巷旁支护荷载大大增加,若巷旁支护阻力较低将会被压垮,例如支护阻力较低的料石、矸石墙,为增加护巷效果不得不增加巷旁砌墙的宽度,或者采用高强充填材料.切顶卸压沿空成巷通过顶板岩梁的超前预裂,在周期来压作用下将悬臂梁切落,充填了冒落空间,消除了悬顶现象,以减小悬臂梁上覆荷载以及旋转变形力,从而大大减小岩梁传递到巷旁和巷内支护的荷载,从根本上改善巷道的力学环境.数值模拟研究发现(如图1所示),聚能爆破后的预裂弱面改变了沿空巷道上覆悬伸顶板岩体的结构,引起岩层移动规律发生相应改变;在采场顶板周期来压作用下,悬伸岩层在上覆压力挤压下沿预裂面切落,极大消散了沿空巷道围岩的应力集中程度,应力集中向巷道围岩深部转移,大大改善了沿空巷道的围岩应力环境,减小了巷内支护的受力及巷旁支护的阻力,提高沿空巷道的稳定性;沿空巷道围岩应力集中和覆岩破坏程度随预裂长度不同而异,卸压效应随着预裂长度呈现先增后减的趋势,预裂长度存在一个临界值,白皎煤矿试验巷道地质条件显示,预裂临界值在4～6m范围内.1.3巷道围岩变形控制技术研究在切顶卸压沿空成巷切顶卸压沿空成巷无煤柱开采技术的成功应用需要几个配套的关键技术,以实现该技术原理.1)双向张拉聚能爆破预裂切顶技术.利用专利技术—点线结合双向聚能爆破技术及研发的相应的聚能爆破装置,可以很好实现岩石沿一个方向张拉发生断裂,在垂直方向则可以很好保护岩体强度和完整性,该项技术可以很好地达到沿空成巷顶板预裂的技术要求,图2为利用该项技术在切顶成巷工业试验中取得的应用效果.2)深井切顶卸压沿空成巷恒阻大变形锚索控制顶板技术.在切顶卸压沿空成巷过程中,巷道要经历初期掘进变形、超前动压变形、采场直接顶、基本顶来压变形、采后顶板压实矸石缓慢变形等多个变形阶段,由于巷道的大变形特征,以及沿空巷道在顶板来压期间,下帮侧煤层具有煤与瓦斯突出等动力大变形特性,要求支护材料相应具有较大的变形能力以适应沿空巷道的大变形特征.而目前国内煤矿巷道普通采用的锚杆当屈服伸长达到其极限(一般为18%)时,就会产生破坏.研制成功一种能适应深部巷道大变形的恒阻大变形锚杆(索),通过室内的静力拉伸试验测试,恒阻大变形锚杆承载力12～15kN(图3,4所示),锚索承载力15～20kN,延伸量均可达到300～600mm.针对沿空巷道顶板的矿山压力显现规律和岩层移动特征,针对性地提出了巷内恒阻大变形锚网索耦合支护、巷旁锚索加强支护、单体支柱动压加强支护的联合支护技术.3)深井切顶卸压沿空成巷远程矿压监测技术.研究开发了适应深部高突矿井综采面沿空成巷要求的远程监测系统,该系统可以实现从井下到井上,从井上到北京实验室的远程实时无人自动监测和预警功能,为掌握切顶卸压沿空成巷的矿压显现规律和围岩的稳定提供良好的监测保障(图5).2工程实例2.1宣威组煤炭利用芙蓉矿区白皎煤矿2422工作面保护层开采,煤层倾角8°～10°,工作面倾向长165m,走向长465m,埋深482m,属石炭二叠系宣威组煤炭,采厚2.1m,直接顶为1.5m坚硬灰岩,直接顶上部为2～5m厚泥岩,6m以上为基本顶位细砂岩,采用长壁后退式综合机械化开采,顶板采用冒落法管理.其中机巷长465m,异型断面,巷高2.5m,巷宽3.2～4.4m.2.2沿空道路的设计参数1锚索、锚杆、盘锚索锚杆:采用ϕ20mm恒阻大变形锚杆,长度2200mm,煤层帮侧锚杆,长度2200mm,间排距700mm×900mm,三花布置.锚杆采用树脂药卷端头锚固,树脂锚固剂型号为K2350,用量为2支/根.锚杆均使用配套标准螺母紧固,预紧力60kN.底角锚杆:采用ϕ42mm无缝钢管,长度2200mm,每排2根,间排距为500mm×900mm,施工结束后插ϕ22mm钢筋注浆.锚索:采用ϕ15.6mm钢绞线恒阻大变形锚索,顶板锚索长度8000mm,采用平行布置方式,采用K2350树脂药卷端头锚固,用量为4支/根.锚索预紧力不少于120kN.托盘:锚杆托盘采用木托盘和铁托盘组成的复合托盘,其中木托盘规格为120mm×80mm×50mm,外部铁托盘规格为120mm×120mm×10mm碟形托盘;锚索托盘选用20#槽钢,尺寸为200mm×200mm×10mm,中间加焊尺寸为150mm×150mm×10mm的钢板,钢板中心眼孔ϕ20mm.金属网:金属网采用ϕ6mm钢筋焊接而成,网片尺寸为1100mm×900mm,网格尺寸100mm×100mm,网片搭接长度为100mm,网与网搭接处每隔300mm用双股12#铁丝绑扎牢固.巷道帮侧采用长2100mm的六(五)梯形钢筋梯梁将帮侧锚杆沿走向布置连接,钢筋梯梁采用ϕ12mm钢筋焊接而成.支护参数见图6.2dz30-25型单体液压支柱工程①动压区临时加强支护,采用DZ25-25/100型单体液压支柱配工字钢梁,超前压力区前10m为2排,柱距取锚索间距0.9m,1梁1柱布置;超前压力区前10～20m为双排布置,柱距0.9m,1梁1`柱.②工作面煤壁后方40m,采用DZ25-25/100型单体液压支柱配工字钢梁,架设3排,柱距1.0m,1梁1柱布置;40～60m,采用双排布置,其中靠近采空区侧采用密集支柱,柱距0.5m,外侧挂钢筋网.局部地段打斜撑以提高切顶护巷挡矸效果.③工作面煤壁后方60m以外,压力趋于稳定,回撤DZ25-25/100型单体液压支柱时,将原2排液压支护用工字钢替代,柱距0.9m.2.3巷道围岩支护受力分析试验工作面回采350m,经历多次矿压显现之后,累计成巷330m,机巷采空区侧顶板大部分沿聚能爆破预裂缝以大块体切落成巷,巷宽均在2.8～3.0m(图7),而且经现场观测,巷帮切落矸石充满巷帮并且在采后60m范围内实现接顶,巷道逐渐趋于稳定,在成巷的72m巷道中除帮侧出现40cm的片帮外,顶板和底板收敛变形平均值15cm,巷内和巷旁支护受力均匀,锚索最大受力值78kN,达到预期的试验目的.由图8可见,工作面开采的超前影响范围6～18m范围内开采动压对顶板锚索受力的影响比较剧烈.顶板锚索工作阻力快速增加,锚索受力由3.6kN急剧增大到11kN,在工作面后方40m左右,顶板切落后,锚杆锚索受力稳定在8.4kN.2.4取得经济效益试验成巷460m,每米造价465.78元,比原设计的造价3075元共节约120万元;少掘一条巷道及节约矸石运输排放费182万元,回收10m宽的煤柱资源约441.6万元,节约首采层防突钻孔施工费312.8万元,因此新技术共取得经济效益1128万元.随着芙蓉矿区每年约有13800m的沿空巷道工程,该技术推广应用前景广泛.3沿空巷道围岩控制技术1)切顶沿空成巷机理在于:对坚硬顶板超前预裂,在沿空巷道和采场顶板形成弱面,切断直接顶和基本顶的联系,在周期来压作用下,岩层切落后,沿空巷道围岩的应力集中向顶板及帮侧深部转移,改善了沿空巷道的围岩应力环境,从根本上改变了沿空巷道维护条件