论文部分内容阅读
摘要：实践经验表明，沿空留巷可以有效减少巷道掘进量，解决矿井采掘过程中所存在的接替困难问题，促使整体采收率得到进一步提升，为实际矿井的高效率生产提供优异的基础条件。基于此，本文针对富银煤矿三采区2315采面运输巷沿空留巷工程，分析切顶卸压技术的实际应用，阐述其技术原理的同时，结合实际工程概况确认切顶自成巷切缝参数，提出切顶自成巷支护设计方案，最后分析工程效果。
关键词：沿空留巷;技术原理;工程概况;煤炭采收;矿井生产
引言：
我国现阶段煤炭开采进度在不断加快，浅部煤炭资源逐渐开始出现歉收的局面，以往的护巷煤柱技术逐渐难以适应开采需求，在矿井开采深度不断加深的同时，不仅出现了资源浪费的现象，更存在着较为严重的煤柱应力现象，甚至有可能带来煤柱变形、瓦斯突出、冲击地压等严重性事故，对矿井的安全生产带来极其严重的不利影响。因此随着技术发展，沿空留巷技术逐渐在煤炭开采中得以普及应用，也成为了其中较为常见的无煤柱护巷技术，在该技术的实际应用中，不仅可以显著提高矿井煤炭采收率，同时在改善工作面通风条件中起到了关键性作用。对此，本文以富银煤炭三采区2315采面为工程背景，分析切顶留巷技术的实际应用，具体研究如下。
1、工程概况
在富银煤矿三采区2315采煤工作面中，实际走向长度为400米，倾斜长度在156米至186米之间，平均倾斜长度为170米。在局部地段煤层中的实际最大倾角为16度，最小倾角为12度，平均倾角为13度，实际倾斜面积大约为68000平方米，地质储量约有10.84万吨，预计可采储量为9.79万吨。在工作面附近地质条件统计中得知，工作面西侧区域属于矿区边界，东侧区域属于三采区回风下山，上方区域为2313采面采空区，下方区域为2317采面，尚处于未开采状态。在2315采煤工作面的煤层埋深标高大小中大约为+178米至+231米左右，相对高差最小值为292米，工作面所对应地面区域属于丘陵地带，尚不存在农房宿舍、体积较大的水体以及重要保护设施等装置[1]。
2、2315运输巷切顶成巷技术方案
2.1 技术原理分析
切顶卸压沿空留巷一般代表在顺着工作面前方区域，预留巷道回采帮侧布置爆破切丁钻孔，对工作面顶板开展超前预裂爆破工作，其目的是为了顶板能够沿着既定位置形成切缝，这个切缝就是切顶线。随着工作面的推进，采空区顶板周期性来压，此时巷道采空区侧顶板会在切缝垮落的影响下产生留巷帮，从而实现切顶卸压沿空留巷的作用[2]。
随着工作面持续推进，要能够针对性分析采动对巷道的影响程度、实际施工状况、所存在状态等因素，在结合现场检测数据中，从工作面区域上划分三个不同的区域，将其各自划分为超前切顶区区域、滞后临时支护区域以及成巷稳定区区域。在超前切顶区区域中，该区域位于超前支护区前方方位，其目的是为了开展超前预裂爆破、顶板补强支护等工序。要注意的是，这两项工序必须要在超前支护区工作面推进前完成，尽可能避免由于超前支承压力对施工产生一定的影响。在滞后临时支护区中，该区域处于工作面端头支护区后方位置，在工作面回采过后，顶板会沿着切缝垮落而产生巷帮，而此时巷道在工作面回采周期来压的影响，需要及时在距离工作面端头位置过渡支架后方区域，进行巷帮挡矸支护以及顶板临时支护。一般情况下滞后临时支护区域需要选在工作面后方区域的200米范围内，需要结合工作面的推进进度而不断向前推进。在成巷稳定区域中，该区域位于滞后临时支护区区域后方方位，在工作面持续向前推进的同时，工作面和巷道之间的距离也逐渐增加，而此时巷道所受到的工作面周期来压影响作用也将逐渐减少，采空区顶板岩层运动逐渐恢复稳定状态，此时应当及时回撤顶板临时支护，保留巷帮挡矸支护。
2.2 切顶自成巷支护设计
在结合富银煤矿臭炭煤层赋存与围岩物理力学参数等书籍计算中得知，煤层平均厚度大约在1.10米左右，直接顶容重大约为23.5kN/m?。其中初始碎胀系数大约为1.2，平均抗拉强度为2.22Mpa左右，结合井下顶板原生裂隙与采动过程中对顶板所产生的破坏性影响，将弱化系数取值选为0.2左右，此时抗拉强度大约0.44Mpa左右，在井下观测中发现采空区域顶底板移近量大约0.08米左右。在公式计算中，预裂切缝夹角α大约为10.8度，切缝深度为5.2米。
（1）超前预切缝钻孔参数设计
在超前预裂切缝钻孔过程中需要先后确认钻孔开孔位置、钻孔倾角、钻孔深度、钻孔直径d以及钻孔间距等相关参数指标。具体参数结果如表1所示：
（2）顶板补强支护设计
由于顶板可能会受到垮落应力的影响，因此需要及时加加强顶板补强支护设计，顶板补强支护设计需要在超前预裂切缝之后开展，针对顶板施工预应力锚索加强支护补强，对切缝周围区域安装补强支护设备装置，本工程拟设计采取主动支护结合被动支护的方式进行补强支护。在主动支护中可以选择锚索补强支护，对于被动支护来讲，可以应用巷道走向棚支护[3]。
（3）巷帮挡矸防护设计
在实际巷帮挡矸防护设计过程中，需要及时铺设挡矸金属网，将挡矸工字钢或U型钢搭设在其中，注意在实际设计中需要严格结合工作面端头过渡支架的后方区域开展施工。在此之间需要结合实际施工生产条件进行设计，以假设工字钢支架与铺设排材作为挡矸防护结构。
（4）滞后临时支护设计
滞后临时支护设计的目的是为了在工作面后方矿山压力动压影响区中支撑顶板，完整的抬棚需要借助工钢梁、单体液压支护进行组成，从而达到支撑顶板的目的，以便于有效减少顶板运动和矿山压力对巷道所带来的影响，同时还可以进一步控制顶板下沉量，保证临时支护区区域的巷道稳定过渡到成巷稳定区域中，注意在之后临时支护设计施工过程中，帮部挡矸支护设计施工要与之进行同时开展，以有效跟进工作面推进，在端头过渡液压支架过后开展施工工作[4]。
3、技术应用效果分析
切顶卸压留巷技术的合理运用，可以在保留2315工作面辅助运输巷的同时，为工作面回风巷提供有利的支持作用，另外还能够及时监测恒阻锚索受力状况与巷道顶板变形状况。在工作面开采的同时，恒阻锚索受力也会逐渐增加，采面工作与回采工作的同步开展，可以有效避免巷道围岩出现变形等现象，最后逐渐处于稳定状态，此时巷道顶板最大下沉量以及底板最大低鼓量将减少至标准范围内，两帮最大位移量缩减至180毫米左右，可以有效满足巷道实际使用的标准要求。
4、结束语
在实际施工过程中，还需要密切关注实际施工状况，做好相应的数据检测工作，根据矿井工程实际状况合理调整施工设计参数，促进整体施工质量得到进一步提升，为矿井开采效率的提升提供基础保障。
参考文献：
[1]张能旺.1226工作面运输巷切顶卸压沿空留巷技术研究[J].山东煤炭科技，2020，No.236（04）：45-47.
[2]黄洁，杨壮，王火彬，等.坚硬顶板预裂爆破切顶卸压沿空留巷技术研究[J].煤炭与化工，2018（10）：61-63.
[3]张鹏.深部采区回采工作面切顶卸压留巷技术研究[J]. 2021（2020-2）：7-9.
[4]吴自强，赵龙刚，刘建康，等.云盖山一矿切顶卸压沿空留巷技术应用實践[J].中州煤炭，2019，041（005）：128-130，135.
作者简介：桑鹏程 （1984.06-），男，山东宁阳人，矿业工程师、采矿实验师，重庆交通大学土木工程专业毕业，研究方向为巷道施工、安全技术、安全教育培训。
项目名称：西南地区薄及中厚煤层预裂切顶自成巷无煤柱开采技术应用与推广，重庆市安全生产（煤炭发展）专项资金项目（项目编号：2020-08）。
关键词：沿空留巷;技术原理;工程概况;煤炭采收;矿井生产
引言：
我国现阶段煤炭开采进度在不断加快，浅部煤炭资源逐渐开始出现歉收的局面，以往的护巷煤柱技术逐渐难以适应开采需求，在矿井开采深度不断加深的同时，不仅出现了资源浪费的现象，更存在着较为严重的煤柱应力现象，甚至有可能带来煤柱变形、瓦斯突出、冲击地压等严重性事故，对矿井的安全生产带来极其严重的不利影响。因此随着技术发展，沿空留巷技术逐渐在煤炭开采中得以普及应用，也成为了其中较为常见的无煤柱护巷技术，在该技术的实际应用中，不仅可以显著提高矿井煤炭采收率，同时在改善工作面通风条件中起到了关键性作用。对此，本文以富银煤炭三采区2315采面为工程背景，分析切顶留巷技术的实际应用，具体研究如下。
1、工程概况
在富银煤矿三采区2315采煤工作面中，实际走向长度为400米，倾斜长度在156米至186米之间，平均倾斜长度为170米。在局部地段煤层中的实际最大倾角为16度，最小倾角为12度，平均倾角为13度，实际倾斜面积大约为68000平方米，地质储量约有10.84万吨，预计可采储量为9.79万吨。在工作面附近地质条件统计中得知，工作面西侧区域属于矿区边界，东侧区域属于三采区回风下山，上方区域为2313采面采空区，下方区域为2317采面，尚处于未开采状态。在2315采煤工作面的煤层埋深标高大小中大约为+178米至+231米左右，相对高差最小值为292米，工作面所对应地面区域属于丘陵地带，尚不存在农房宿舍、体积较大的水体以及重要保护设施等装置[1]。
2、2315运输巷切顶成巷技术方案
2.1 技术原理分析
切顶卸压沿空留巷一般代表在顺着工作面前方区域，预留巷道回采帮侧布置爆破切丁钻孔，对工作面顶板开展超前预裂爆破工作，其目的是为了顶板能够沿着既定位置形成切缝，这个切缝就是切顶线。随着工作面的推进，采空区顶板周期性来压，此时巷道采空区侧顶板会在切缝垮落的影响下产生留巷帮，从而实现切顶卸压沿空留巷的作用[2]。
随着工作面持续推进，要能够针对性分析采动对巷道的影响程度、实际施工状况、所存在状态等因素，在结合现场检测数据中，从工作面区域上划分三个不同的区域，将其各自划分为超前切顶区区域、滞后临时支护区域以及成巷稳定区区域。在超前切顶区区域中，该区域位于超前支护区前方方位，其目的是为了开展超前预裂爆破、顶板补强支护等工序。要注意的是，这两项工序必须要在超前支护区工作面推进前完成，尽可能避免由于超前支承压力对施工产生一定的影响。在滞后临时支护区中，该区域处于工作面端头支护区后方位置，在工作面回采过后，顶板会沿着切缝垮落而产生巷帮，而此时巷道在工作面回采周期来压的影响，需要及时在距离工作面端头位置过渡支架后方区域，进行巷帮挡矸支护以及顶板临时支护。一般情况下滞后临时支护区域需要选在工作面后方区域的200米范围内，需要结合工作面的推进进度而不断向前推进。在成巷稳定区域中，该区域位于滞后临时支护区区域后方方位，在工作面持续向前推进的同时，工作面和巷道之间的距离也逐渐增加，而此时巷道所受到的工作面周期来压影响作用也将逐渐减少，采空区顶板岩层运动逐渐恢复稳定状态，此时应当及时回撤顶板临时支护，保留巷帮挡矸支护。
2.2 切顶自成巷支护设计
在结合富银煤矿臭炭煤层赋存与围岩物理力学参数等书籍计算中得知，煤层平均厚度大约在1.10米左右，直接顶容重大约为23.5kN/m?。其中初始碎胀系数大约为1.2，平均抗拉强度为2.22Mpa左右，结合井下顶板原生裂隙与采动过程中对顶板所产生的破坏性影响，将弱化系数取值选为0.2左右，此时抗拉强度大约0.44Mpa左右，在井下观测中发现采空区域顶底板移近量大约0.08米左右。在公式计算中，预裂切缝夹角α大约为10.8度，切缝深度为5.2米。
（1）超前预切缝钻孔参数设计
在超前预裂切缝钻孔过程中需要先后确认钻孔开孔位置、钻孔倾角、钻孔深度、钻孔直径d以及钻孔间距等相关参数指标。具体参数结果如表1所示：
（2）顶板补强支护设计
由于顶板可能会受到垮落应力的影响，因此需要及时加加强顶板补强支护设计，顶板补强支护设计需要在超前预裂切缝之后开展，针对顶板施工预应力锚索加强支护补强，对切缝周围区域安装补强支护设备装置，本工程拟设计采取主动支护结合被动支护的方式进行补强支护。在主动支护中可以选择锚索补强支护，对于被动支护来讲，可以应用巷道走向棚支护[3]。
（3）巷帮挡矸防护设计
在实际巷帮挡矸防护设计过程中，需要及时铺设挡矸金属网，将挡矸工字钢或U型钢搭设在其中，注意在实际设计中需要严格结合工作面端头过渡支架的后方区域开展施工。在此之间需要结合实际施工生产条件进行设计，以假设工字钢支架与铺设排材作为挡矸防护结构。
（4）滞后临时支护设计
滞后临时支护设计的目的是为了在工作面后方矿山压力动压影响区中支撑顶板，完整的抬棚需要借助工钢梁、单体液压支护进行组成，从而达到支撑顶板的目的，以便于有效减少顶板运动和矿山压力对巷道所带来的影响，同时还可以进一步控制顶板下沉量，保证临时支护区区域的巷道稳定过渡到成巷稳定区域中，注意在之后临时支护设计施工过程中，帮部挡矸支护设计施工要与之进行同时开展，以有效跟进工作面推进，在端头过渡液压支架过后开展施工工作[4]。
3、技术应用效果分析
切顶卸压留巷技术的合理运用，可以在保留2315工作面辅助运输巷的同时，为工作面回风巷提供有利的支持作用，另外还能够及时监测恒阻锚索受力状况与巷道顶板变形状况。在工作面开采的同时，恒阻锚索受力也会逐渐增加，采面工作与回采工作的同步开展，可以有效避免巷道围岩出现变形等现象，最后逐渐处于稳定状态，此时巷道顶板最大下沉量以及底板最大低鼓量将减少至标准范围内，两帮最大位移量缩减至180毫米左右，可以有效满足巷道实际使用的标准要求。
4、结束语
在实际施工过程中，还需要密切关注实际施工状况，做好相应的数据检测工作，根据矿井工程实际状况合理调整施工设计参数，促进整体施工质量得到进一步提升，为矿井开采效率的提升提供基础保障。
参考文献：
[1]张能旺.1226工作面运输巷切顶卸压沿空留巷技术研究[J].山东煤炭科技，2020，No.236（04）：45-47.
[2]黄洁，杨壮，王火彬，等.坚硬顶板预裂爆破切顶卸压沿空留巷技术研究[J].煤炭与化工，2018（10）：61-63.
[3]张鹏.深部采区回采工作面切顶卸压留巷技术研究[J]. 2021（2020-2）：7-9.
[4]吴自强，赵龙刚，刘建康，等.云盖山一矿切顶卸压沿空留巷技术应用實践[J].中州煤炭，2019，041（005）：128-130，135.
作者简介：桑鹏程 （1984.06-），男，山东宁阳人，矿业工程师、采矿实验师，重庆交通大学土木工程专业毕业，研究方向为巷道施工、安全技术、安全教育培训。
项目名称：西南地区薄及中厚煤层预裂切顶自成巷无煤柱开采技术应用与推广，重庆市安全生产（煤炭发展）专项资金项目（项目编号：2020-08）。