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摘要：为了解决台头煤焦有限公司8292工作面厚煤层复合顶板条件下综采效率低、成本高的问题，首次提出了在厚煤层复合顶板工况下采用无煤柱沿空留巷技术。对特殊地形条件下的顶板切缝孔设置及装药布置结构、分类补强支护结构、恒阻大锚索加强结构进行了专项技术改进，保证了在特殊地质工况下的应用可靠性。目前该技术已经在台头煤焦有限公司投入应用，取得了很好的经济效益和社会效益。
关键词：复合顶板；无煤柱；沿空留巷
1工作面概况
台头煤焦有限公司8292工作面的煤层平均厚度4.66 m，煤层的平均倾角为3.2。煤层埋深在273-492 m之间，工作面回采长度为1 937 m。煤层顶板和底板岩层结构致密，在顶板有泥岩、砂岩、石灰岩等，但岩层上没有含水层，属于典型的复合型顶板结构。根据井下采空区和工作面的位置情况，结合井下抽采巷及辅运巷的分布结构，把井下的工作面分为了2个区段。第一个区段是从0~1 100 m，第二个区段是从1 100 m到工作面的停采线位置。目前井下作业主要采用的是预留煤柱综采方案，需要预留大量的煤柱而且需要掘进一条新的辅助巷道，煤炭资源浪费严重而且效率较低。
由于无煤柱自动成巷技术具有煤炭回采率高、经济性好的优点，因此提出引入无煤柱自动成巷技术。但由于8292工作面为厚煤层，而且是复合顶板结构[1]。目前为止无煤柱自动成巷技术尚没有在该类地形条件下成功应用的先例。因此项目组结合井下的实际地质条件，对切顶卸压技术、分类补强支护技术等进行了优化，使其满足厚煤层、复合顶板的需求。通过技术攻关，目前该技术已经在台头煤焦有限公司得到了实际应用，取得了极好的应用效果。8292工作面地质岩层结构如图1所示。
2开展技术路线
按照“110工法”要求，进行无煤柱沿空留巷技术的基本要求时满足“一巷、一面、零煤柱”[2]。结合8292工作面的实际情况，在其顶板位置进行预裂切缝，利用顶板的自行垮落实现自动成巷，在工作面只进行一个顺槽巷道的掘进，另一个顺槽巷道能够自动形成，实现自动成巷无煤柱作业。在进行综采时先对岩壁进行恒阻锚索支护，然后在顶板位置进行切缝钻孔施工，完成后对顶板进行定向预裂爆破处理，待顶板垮落后进行工作面的回采，同时在回采区域进行顶板临时支护、挡矸支护等，提高巷道稳定性。回采完成后需要在采空区进行喷浆，防止漏风导致遗煤自燃，最后进行支护单体的回撤。8292工作面无煤柱开采技术路线，如图2所示。
3顶板预裂爆破
3.1顶板预裂爆破孔参数设计
要实现顶板垮落成巷，就需要根据井下情况在巷道顶板上设置预裂缝并进行预裂爆破，减少悬臂梁长度并降低实体侧煤体所受的回采动压。该技术的核心点是针对复合顶板的特殊情况确定合理的爆破孔间距及爆破时的爆破方案，确保井下爆破效果和爆破安全性。
爆破孔设置的核心是要保证爆破后相邻的两个孔裂隙相互贯通，因此爆破孔的中心距需要在理论计算的基础上结合井下的实际地质情况确认，以保证实际爆破效果。8292工作面切缝中心距d可按公式（1）进行计算[3]。
式中：rd为爆破孔的半径，取24 mm；ε为井下顶板测压系数，取0.43；p为巷道顶板应力，取19 MPa；p1为爆破时冲击波峰值，取2 200 MPa；D为顶板岩层初始损伤系数，取0.6；σ为顶板抗拉强度，取1.2 MPa；γ为爆破时冲击波衰减系数，取2.4。
计算可得出矿8292工作面顶板中心距要小于624 mm。结合井下实爆测试及便于布局的要求，最终确定爆破孔的间距为550 mm。
巷道顶板的直接顶属于厚度较大且硬度较高的石灰岩，为了便于顶板的垮落及钻孔操作，钻孔和巷道垂线的夹角设为30。，爆破孔的直径设置为50 mm，深度要超过顶板直接顶的厚度，设置为22 m，爆破孔设置到顶板下侧约300 mm处。井下爆破孔布置结构，如图3所示。
3.2预裂爆破设计
由复合顶板的结构强度较为复杂，因此在爆破时对爆破药的装药和起爆方式要求很高，传统的装药和爆破模式均难以满足需求。根据地质情况，选择了将聚能爆破管和普通爆破药相结合的装药模式，采用双向聚能爆破的方式进行预裂。所使用的聚能管的直径为42 mm，壁厚为3 mm，爆破管的长度为1.5 m，爆破药均采用了35mm×300 mm的规格。在装爆破药时采用了从内向外串联装药模式，最外侧采用炮泥封孔。
为了提升爆破效果，对装药模式进行了优化，将每个聚能管中都装入爆破药。在中间位置利用PE管把爆破药装入到爆破孔的最下部。所使用的的雷管采用了串联模式[4]，每个聚能管都设置1个爆破雷管。复合顶板的爆破药装药结构，如图4所示，图中1、2、3是指每组装药结构中的药卷数量。
4分类补强支护
由于传统无煤柱自成巷模式下的支护技术方案难以适应井下的支护安全性需求[5]。因此结合井下两段式的巷道结构，首次提出应用分类补强支护技术方案。
第一区段补强支护。采用了3列恒阻锚索支护结构，第一列沿着巷道的方向进行支护，每个锚索之间的距离设置为800 mm。第二列设置时和第一列的间距设置为1 000 mm，第三列和第二列间距为1 400 mm。所有锚索设置时要和巷道垂直，每个锚索上要配合2块托盘和2个恒阻器进行加强支护。
在顶板上布置切缝弱化孔，该孔的深度为23000mm，间距为5 000 mm，孔径为48 mm。在第一区段内设置预应力钢绞线和恒阻锚索配合支护。所使用的锚索规格为Φ21.8 mm×15.3 m，所使用的钢绞线则使用规格为Φ21.8 mm×8 m，通过恒阻锚索、预应力钢绞线及切缝炮孔来实现对第一区段顶板的补强支护。该区域内的补强支护结构，如图5所示。
第二区段补强支护。在该阶段的补强支护同样采用了3列锚索共同支护的模式[6]。第一列沿着巷道的方向进行支护，每个锚索之间的距离设置为800 mm。第二列设置时和第一列的间距设置为1 000 mm，第三列和第二列间距为1 400 mm，排距为800 mm。所使用的锚索规格为Φ21.8 mm×10.3 mm，需要和工字钢配合使用。该区域顶板切缝设置在和采帮轮廓线距离为200 mm处，和巷道垂线倾斜角设置为15。。第二区段补强支护结构，如图6所示。
5无煤柱成巷效果分析
对井下无煤柱成巷的应用效果的判定主要是从切缝效果、留巷效果及巷道围岩变形情况几个方面进行分析[7]。
切缝效果分析。在爆破后对切缝钻孔情况进行分析，其钻孔深度误差在30 mm以内，爆破孔的距离误差在15mm的范围内，在爆破后每个孔内的裂隙率达到了96.7%，满足爆破后大于90%的标准规定。留巷效果分析。工作面的自动留巷稳定，巷道周边围岩应力情况分布均匀，在进行施工后围岩结构稳定性较好，没有出现顶板和底板不稳定的现象。
围岩稳定性分析。在投入应用后，井下工作面总推进的长度为1 210 m，其中留巷形成长1 190 m。在推进的过程中主要是对巷道顶底板的移近量及巷道两帮的变形量进行监测，结果如图7所示。
由图7可知，采用新的支护方按后，巷道两帮的最大变形量能够降低到339mm，比传统支护方案降低72.1%。巷道顶板和底板的移近量控制在286 mm，比传统方案降低了约51.7%，显著的提升了在作业过程中的稳定性和安全性。
目前该方案已经在台头煤焦有限公司得到了稳定应用，根据统计采用留巷方案后，共提高煤炭回采量约32万t，提高经济效益与1.5亿元。而且采用新的技术方案后减少了一条巷道掘进，节约巷道掘进工期约5个月，解决了工作面接替紧张的情况。
6结论
为了解决台头煤焦有限公司厚煤层复合顶板工作面煤炭回采效率低、经济性差的不足。首次提出了将无煤柱成巷方案应用在厚煤层复合顶板工况。针对性的开展了爆破方案优化、支护结构优化，探索出了在厚煤层复合顶板工况下应用的技术要点。通过对应用情况的持续观测，该技术满足井下作业安全性需求，已作为核心创新项目向兄弟煤矿推荐，为类似工作面综采工艺的优化提供了技术支持。
参考文献
[1]何满潮，马新根，王炯，等.中厚煤层复合顶板切顶卸压无煤柱沿空留巷技术应用研究[J].同煤科技，2018（4）：1-7.
[2]何满潮，宋振骐，王安，等.长壁开采切顶短壁梁理论及其110工法—第三次矿业科学技术变革[J].煤炭科技，2017（1）：1-9.
[3]郭晖.店坪煤矿切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术应用[J].山东煤炭科技，2021，39（9）：31-33.
[4]王国法，庞义辉，任怀伟，等.煤炭安全高效综采理论、技术与装备的创新和实践[J].煤炭学报，2018，43（4）：903-913.
[5]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.
[6]杜文强.切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉分析及控制技术[J].内蒙古石油化工，2021，47（1）：97-98.
[7]何东升，刘旦龙，张洋.复合顶板中厚煤层切顶卸压留巷无煤柱开采技术[J].煤炭科学技术，2018，46（9）：126-132.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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井下复合顶板无煤柱沿空留巷技术的应用研究论文
人参与 2024-11-14 10:17:46 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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