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分析研究自动化综采面一次采全高切顶卸压技术

2023-10-20 75 上传者：管理员

摘要：以山西某矿1014工作面为研究对象，介绍了综采工作面综采全高技术。采空区支护巷道采用顶板卸压，采用“大变形恒阻锚索+钢带”对1014工作面进行固定，再利用深孔爆破技术沿采空区预裂顶板。爆破后对顶板进行临时和永久支护加固，最后用U型钢封堵矸石。实践证明，采用这种方法可以有效地减少煤矿的开采费用，达到煤矿的安全生产需要，并具有良好的支护效果和经济效益。

关键词：
一次采全高
切顶卸压
沿空留巷
综采工作面
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现阶段，国内无煤柱巷道保护技术主要是随工作面开采和巷道旁充填而发展起来的沿空留巷技术，在采空区边缘保留原有巷道[1]。因此，用于护巷的煤柱不再服务巷道的下一段。目前广泛采用的沿空留巷技术多采用巷道旁充填支护的方式，然而，顶板的传力结构是不能改变的。以充填体为主体，承受着顶板的巨大压力，往往会造成采空区侧进巷道严重变形，最终造成维护成本高、安全隐患大等问题。为此，根据山西某煤矿的实际情况，采用了一次采全高综采工作面卸压留巷技术，并对该技术的应用效果进行了分析，保障了该煤矿的安全生产。

1、 1014工作面及其支护概况

1.1 工作面概况

山西某矿1014综采工作面为下10煤层第4个综采工作面，其开采平面为不规则矩形，回采面长度为160 m，上巷为2 879 m，下巷为2 794 m。1014工作面煤层厚度为3.4～4.8 m，其平均厚度大约为4.2 m，煤层倾斜角度为9°～16°，平均倾角为12°。试验工作面采煤方式为一次采全高搭配综合机械化开采，顶板管理方式为全部垮落法。1014工作面上巷采用顶切支护巷道，支护巷道断面长度为600 m。当沿空留巷工艺结束后，其成为相邻工作面的回采巷道。

1.2 巷道顶底板岩性及支护概况

1014工作面上巷（支护段）顶板为细砂，底板为细砂岩和含砾砂岩，厚32.2 m。工作面顶板为细砂岩，底板为6.2 m厚粉砂岩，巷道顶底板及围岩稳定性差。试验工作面上侧巷道为较规则梯型，其开挖宽度为5.08 m，净宽5.0 m，开挖面16.3 m2，净断面16.0 m2。顶板用钢筋螺栓和金属网支撑，侧壁用树脂螺栓和塑料网支撑，顶板螺栓间距为1 000 mm、1 000 mm，上下螺栓间距为1 000 mm、800 mm，顶板螺栓为Φ18 mm×1 800 mm螺纹钢螺栓，侧板螺栓为Φ16 mm×1 600 mm树脂螺栓，顶板设有6排螺旋钢螺栓，采用“螺栓网+螺栓”组合支撑。

2、切顶卸压沿空留巷技术

2.1 恒阻锚索加固支护参数设计

对巷道顶板进行预裂或爆炸破坏时，利用恒阻的大变形锚索进行强化，以提高巷道挖掘过程和循环来压过程的安全性。为了最大程度的充分发挥恒阻锚头的保护功能，减少预裂爆破伤害和顶板坍塌的危害，常阻锚索长度通常比预裂爆破高2 m以上，并保证锚索端部处于稳定岩层中[2]。根据巷道的地层分布和原有支护参数，确定了定阻锚索的设计长度。

与原始煤柱开采不同，自成型无煤柱巷道的塌陷位置和时间具有一定的规律，即工作面超前后，顶板岩体从裂隙线塌陷，岩体移动；从塌落高度看，自成型无煤柱巷道工艺使顶板“两带”高度低于原采工艺。因此，12.3 m恒阻锚杆对恒阻锚索预应力不产生影响。

1014工作面上巷布置两排大变形恒阻锚索，其中一排恒阻锚索距煤层钻孔400 mm（距采动巷道煤侧500 mm），间距为1 000 mm，相邻锚索由3 000×300 mm×5 mm的W型钢带连接；第二排恒阻锚索布置在巷道中心线处，间距为2 000 mm。图1为1014工作面上巷恒阻锚索加固缝钻施工图。

2.2 顶板预裂爆破施工工艺

在顶板预裂爆破的施工工艺中，应用了双向聚能预裂炸药爆破技术，在两个产生聚能效应的聚能装置中，安放了相应规格的炸药。爆破后，再运用对岩体的挤压与牵拉特性，将炮孔围岩均匀地挤压并沿预定方向集中拉长，使之沿预定方向迅速拉长成型，进而实现了张拉爆破成型的目的。

2.2.1 切缝钻孔深度与间距

预裂缝钻孔深度H缝与采高、顶板下沉、底鼓等因素密切相关，通常采用以下算式进行计算：

H缝=（H煤-ΔH1-ΔH2）/（K-1).

图1 巷道恒阻锚索加固缝钻施工图（单位：mm)

在排除底鼓和顶板沉降的前提下，根据顶底板岩性和以往工作经验，得出了预裂槽的开孔深度为10 m。切缝与巷道侧壁距离为100 mm，切割面与垂直方向的角度为15°，切割孔的距离为500 mm。

2.2.2 爆破工艺参数

根据设计方案，进行单孔试验，确定合理的装药量和充填长度，然后进行间歇爆破，观察相邻两个装药孔之间的窥视孔。一旦发现相邻两个装药孔之间的窥视孔裂纹不符合要求，再次进行连续爆破试验，最终确定爆破孔数、爆破方法等主要爆破工艺参数。

双向聚能管由专用的聚能管制成，其内径设为36.5 mm，外直径42 mm，长度1 500 mm。聚能爆破采用3级乳化炸药，其尺寸为32 mm×200 mm，并采用炮泥密封，孔长不得少于2.0 m。参考其他煤矿的施工经验，1014综放工作面上巷采用了提前50 m的预裂切割裂缝。

2.3 坚硬顶板切顶方案

鉴于1014工作面覆砂岩较坚硬，采空区顶板后悬挂支架间距过大，或采空区煤矸石冒落较大时，为避免顶板应力集中和采空区漏风，在顶板原有预孔的基础上，在顶板上挖扇形孔，采用深孔松动爆破软化工作面坚硬砂岩顶板，使顶板充分预裂松动，保证顶板在采空区的坍塌和充填[3]。两组爆破松动孔各为一组，孔深分别为11 m和14 m，垂直方向为30°和45°（向采空区倾斜），两组爆破松孔间距为5 m。松动爆破孔位置如图2所示。ZDY1900S深孔钻头用于深孔松动爆破，直径94 mm。

图2 松散爆破孔的位置（单位：mm) 该工程采用的松散爆破孔上部装有3级乳化炸药，其长度为3 000 mm，药片尺寸为32 mm×200 mm，为了确保爆炸的安全性，采用6 m长的封孔。为确保安全、简化操作、充分引爆、确保爆破的可靠性，每个孔洞内用两个微秒级延迟电雷管引爆，每次只能引爆一套。为了防止爆炸气体从孔口中涌出，对岩体造成连续的影响，使爆破能量得到最大限度的发挥，从而增强了超前松散爆破的效果。在1014综放工作面上，采用扇形深孔松散爆破孔，对顶板进行了软化处理，并在后续的跟踪观察中，根据深孔爆破后的崩塌情况，适时调整深孔松动爆破的各项参数，以保证取得最好的效果。

3、效益分析

3.1 技术效益

在1014大采高、综采工作面上的应用，开辟了一种新的采煤技术，开创了采煤技术变革的新局面。并在此基础上，提出了110工法大采高综采工作面的新技术，并完善了110工法的相关理论。根据现场的具体情况，对支护参数进行了优化，并给出了110工法在硬顶板环境下的合理支护与设计。最后，对巷道的围岩分布进行了优化和调整，使巷道的变形量、巷道底鼓量明显减小；采场和巷道的围压明显降低；采动过程中，因切缝技术的存在，超前压降明显降低，提高了采场的推进速度，减少了采空区顶底板的应力集中。

3.2 经济效益

1）节省巷道施工费用。利用山西某煤矿1014工作面剩余1 000 m工作面，通过该技术可减少巷道掘进1 000 m，按4 000元/m的计算，可节省掘进工量，降低掘进工人的工作量，降低班组人数，节省设备购置、维修费用，节约大量掘进经费，有利于整体效益的提高。

2）提高采煤的利用率。山西某煤矿传统的采煤方法是工作面间预留30 m煤柱。在4.2 m采高的基础上，采用新的沿空留巷技术，巷道可多采煤157.95 t/m；按600元/t的市场价计算，巷道可增收94.77万元/m。

3）降低巷道的支护费用。采用切顶卸压的施工工艺，利用“切顶短臂”理论，使巷道沿着采空区边缘切顶，阻断部分顶板压力，并借助局部顶板岩体，使巷道顶板梁形成短臂，减少围岩应力集中，降低周期性顶板压力，确保巷道及其围岩的稳定性。

4、结语

一次采全高综放工作面切顶卸压沿空留巷技术是一种新型的采煤技术，为国内同类矿山的推广应用打下了良好的基础。试验成功后，各工作面减少一条回采巷，减少了巷道的掘进量，减轻了煤矿的采掘矛盾，增加了煤炭的出采量；减少煤柱，增加采煤回收率，延长煤矿使用寿命，使煤矿资源得到充分开发；通过对岩体碎胀特征的分析，可以有效地降低地表裂缝的发生，从而有效地保护矿山的地表生态，使矿山的生产达到现代化、高产、高效。

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):69-72.

[2]索献伟.自动化综采工作面一次采全高切顶卸压技术研究[J.山西化工,2022,42(2):193-195.

[3]周晓路,朱贵祯.深部松软破碎顶板回采巷道围岩控制及支护技术研究[J].山东煤炭科技,2021,39(9):74-76,79.

文章来源:文力.自动化综采面一次采全高切顶卸压技术研究[J].机械管理开发,2023,38(10):258-260.