论文部分内容阅读
[摘 要]文章针对陕西陕煤澄合矿业有限公司百良旭升煤礦505综采工作面需要沿空留巷的实际情况，通过现场调研和理论分析的方法，结合预留巷道周围的地质条件，设计了切顶卸压顶板预裂爆破参数，提出了切顶卸压沿空留巷支护方案，并采用连续观测法对工作面回采期间巷道的围岩变形进行现场实测，分析得出了切顶卸压沿空留巷段矿压显现规律。
[关键词]切顶卸压；预裂爆破；沿空留巷；矿压规律
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）39-0102-02
1 切顶卸压沿空留巷设计方案
1.1 回采巷道围岩地质条件
百良旭升煤矿505综采工作面走向长706m，倾向长度142m，主采5#煤，直接顶为细粒砂岩，均厚2.85m；细粒砂质上部为4#煤，厚度为1.2-2.4m，均厚1.5m；4#煤上部为中细粒砂岩（老顶），厚度为2.0-10.0m，均厚6.0m；煤层底板为细至中粒石英砂岩，厚度为0.55-2.5m，均厚1.7m，坚硬，老底为粉砂岩，厚度为14.71-21.22m，均厚17m。
1.2 沿空留巷段补强支护方式
505综采工作面位于一采区西翼，东为采区大巷，西为大原头村煤柱，南北均为待掘工作面，工作面沿走向布置，试验在工作面轨道巷进行，原支护方式为锚网索支护，巷道设计规格为4.0×3.5 m，顶部布置6根Φ20×2200mm锚杆，三花布置Φ18.9×8300mm锚索，两帮各布置5根Φ20×2200mm锚杆。
100米试验段采用补设锚索、锚杆方式进行补强支护，共打设补强锚索125根，补强锚杆143根；锚索规格Φ21.8×9300mm，间距0.8m，靠煤壁帮单排打设。锚杆规格Φ20×2200mm；间排距1.4×1.4m，煤柱侧帮打设，打设位置在帮部中间，与巷道原支护呈五花眼布置。
1.3 试验巷道切顶卸压方案
1.3.1 切顶卸压预裂爆破孔参数
切顶方式采用深孔双向聚能爆破技术实现对顶板的定向切割，在回采工作面超前50m以外，在试验段轨道巷施工一排6-7.5米深钻孔，孔位距回采帮200mm，孔径50mm，孔间距700mm，倾角向采空区倾斜20°，试验段共施工148个爆破孔。
1.3.2 预裂爆破参数
装药长度1800mm，采用9节乳化炸药，炸药规格Φ32mm×200mm，雷管选用煤矿许用毫秒延期电雷管，每孔两发，连线方式采用孔内并联，孔外串联，爆破方式五孔为一组一次起爆。定向聚能管使用PVC管材，规格Φ40mm×4000mm，通过矿用切割机割宽度8mm对缝，实现定向聚能爆破。
1.3.3 试验分段进行
试验段全长100米，为保证试验数据科学合理性，特将100米试验分为3段，每段爆破孔深度及爆破装药方式进行细微调整。
1.4 留巷段支护方案
留巷段支护采用单体配合π型梁支护，排距0.6m，π型梁长2.4m，一梁三柱，棚距800mm。切顶帮采用密集单体、工字钢支护，钢筋网、双抗网挡矸，待工作面推采过70m后，回撤靠切顶帮侧单体，将单体替换为工字钢，工字钢排距0.6m，不回收。
1.5 矿压监测方案
1.5.1 表面位移观测
采用十字布点法，每隔十米布置一组测点，每天测量留巷段顶底板收敛、两帮移近量。
1.5.2 顶板深部位移检测
采用KJ216顶板离层监测分站，观测顶板离层量。
1.5.3 矿压监测
使用锚索、锚杆应力监测计对锚索、锚杆工作荷载进行观测。
2 试验实施过程
百良旭升煤矿切顶卸压沿空留巷试验自2016年8月开始实施至2016年11月底结束，期间历时4个月。9月19日前为基础工程实施期，期间施工切缝孔148个并爆破，布设测点12组，安装顶板离层仪4组，锚索、锚杆应力监测计9组；9月20日～11月底为试验观测期，每天安排专职测量人员记录数据。
3 切顶卸压沿空留巷矿压显现规律
3.1 顶底板移近量规律分析
沿空留巷矿压显现规律分析，根据沿空留巷岩层运动规律的不同，将留巷段顶底板岩层活动分为三个时期。
a前期活动期（超前支承压力影响）
随着工作面推采临近试验地点，留巷段受回采超前支承压力影响。工作面距离试验地点40米以外，留巷段顶板基本无下沉，底鼓量也基本无变化；工作面距离试验地点40～20米期间，顶板下沉、底板底鼓产生微小变化；工作面距离试验地点20～10米期间，变化增强；工作面推采距离试验点10米以内时，回采超前支承压力对留巷段顶板产生剧烈影响，留巷段顶底板变化明显。
b活动过渡期（工作面倾斜方向残余支承压力影响）
工作面推采至试验点时，支架的向前移动，其后方顶板岩层失去支撑，采空区直接顶垮落，岩层垮落后不足以充满采空区时，老顶上覆岩层的重量通过直接顶逐渐转移到巷旁煤体深部，使其出现应力集中，留巷段顶底板产生剧烈变化。
c后期活动期（后方采空区支承压力影响）
工作面推过试验点15米以后，随着矸石的逐渐压实并形成稳定结构，受采动因素的围岩应力重新分布，留巷段顶板受后方采空区支承压力影响逐渐减弱，顶底板变化趋于平稳，工作面推过试验点35米以后，顶底板变化趋于0。
3.2 两帮收敛量规律分析
沿空留巷段两帮收敛量规律与顶底板矿压显现规律相似，工作面距离试验点40米以外时，两帮收敛基本无变化，工作面从40米推采至试验点时，两帮收敛量逐渐加剧；工作面推过试验点时，受支架布置方式影响，支架窜入试验巷道1m左右，紧贴支架挡矸支护滞后，加之支架后窜矸严重，留巷巷道宽度急剧缩小至2.4米；受窜矸侧压影响，工作面推过试验点60米后，两帮收敛才趋于稳定。 3.3顶板深部位移规律分析
通过KJ216顶板离层监测仪数据分析，留巷段顶板深部位移在工作面推采至留巷段时发生剧烈变化，下沉量与顶板下沉观测数据一致。
3.4锚杆（索）受力规律分析
3.4.1锚杆受力分析
帮部锚杆前期受力出现持续增大状态，工作面推采至距离测点5米时，锚杆受力达到峰值27Mpa（148.5KN），工作面距离測点5米位置推采至推过测点8米位置，受直接顶破碎、垮落影响卸压，锚杆受力减小，工作面推过9米位置时，锚杆受力受老顶卸压影响突减至0MPa，推过25米后受力缓慢增加至2MPa稳定。
3.4.2锚索受力分析
顶部锚索受力随着工作面推进，逐步递增，工作面推采过测点4米时，锚索受力达到峰值27Mpa（148.5KN），后受老顶卸压影响数值突减至0，工作面推采过测点22米时，锚索受力又缓慢增加至2MPa后稳定。
4 试验期间遇到的问题
4.1留巷段宽度不足，挡矸效果不理想。
工作面推采过后，由于工作面排尾架布置于轨道巷中央位置，支架后挡矸支护困难（窜矸严重），切顶帮侧挡矸单体只能紧贴支架顶梁支设，拉架后，留巷宽度仅有2.4米～2.8米，与设计（4.0米）相差太远；加之工作面倾角较大，机尾低于机头15～20米，留巷段承受煤层顶板及矸石侧压大，导致切顶帮侧挡矸支柱从中部弯曲变形较多。
4.2挡矸工字钢支护施工不便。
原设计中切顶帮采用密集单体、工字钢支护，工作面推采过后，使用工字钢替换切顶帮单体，由于巷道高度不一，工字钢点柱规格需提前量取加工，施工不便，且受侧压后工字钢易弯曲变形。
4.3留巷段顶板出现开裂现象。
试验段进入505工作面超前20米时，留巷段顶板出现裂缝，长度10米左右，宽度2-3cm。
5 结论及展望
澄合矿业公司百良旭升煤矿505工作面切顶卸压沿空留巷试验，累计成巷100米，已经历老顶两次来压，采空侧顶板基本沿定向预裂爆破孔以大块体切落自动成巷，留巷断面：宽×高=2.4米×2.5米，试验基本达到预期效果，试验成功。
切顶卸压沿空留巷技术能够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，且能实现煤柱回收，预防瓦斯突出等，与传统采煤模式相比有明显的优势，具有推广的价值。
[关键词]切顶卸压；预裂爆破；沿空留巷；矿压规律
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）39-0102-02
1 切顶卸压沿空留巷设计方案
1.1 回采巷道围岩地质条件
百良旭升煤矿505综采工作面走向长706m，倾向长度142m，主采5#煤，直接顶为细粒砂岩，均厚2.85m；细粒砂质上部为4#煤，厚度为1.2-2.4m，均厚1.5m；4#煤上部为中细粒砂岩（老顶），厚度为2.0-10.0m，均厚6.0m；煤层底板为细至中粒石英砂岩，厚度为0.55-2.5m，均厚1.7m，坚硬，老底为粉砂岩，厚度为14.71-21.22m，均厚17m。
1.2 沿空留巷段补强支护方式
505综采工作面位于一采区西翼，东为采区大巷，西为大原头村煤柱，南北均为待掘工作面，工作面沿走向布置，试验在工作面轨道巷进行，原支护方式为锚网索支护，巷道设计规格为4.0×3.5 m，顶部布置6根Φ20×2200mm锚杆，三花布置Φ18.9×8300mm锚索，两帮各布置5根Φ20×2200mm锚杆。
100米试验段采用补设锚索、锚杆方式进行补强支护，共打设补强锚索125根，补强锚杆143根；锚索规格Φ21.8×9300mm，间距0.8m，靠煤壁帮单排打设。锚杆规格Φ20×2200mm；间排距1.4×1.4m，煤柱侧帮打设，打设位置在帮部中间，与巷道原支护呈五花眼布置。
1.3 试验巷道切顶卸压方案
1.3.1 切顶卸压预裂爆破孔参数
切顶方式采用深孔双向聚能爆破技术实现对顶板的定向切割，在回采工作面超前50m以外，在试验段轨道巷施工一排6-7.5米深钻孔，孔位距回采帮200mm，孔径50mm，孔间距700mm，倾角向采空区倾斜20°，试验段共施工148个爆破孔。
1.3.2 预裂爆破参数
装药长度1800mm，采用9节乳化炸药，炸药规格Φ32mm×200mm，雷管选用煤矿许用毫秒延期电雷管，每孔两发，连线方式采用孔内并联，孔外串联，爆破方式五孔为一组一次起爆。定向聚能管使用PVC管材，规格Φ40mm×4000mm，通过矿用切割机割宽度8mm对缝，实现定向聚能爆破。
1.3.3 试验分段进行
试验段全长100米，为保证试验数据科学合理性，特将100米试验分为3段，每段爆破孔深度及爆破装药方式进行细微调整。
1.4 留巷段支护方案
留巷段支护采用单体配合π型梁支护，排距0.6m，π型梁长2.4m，一梁三柱，棚距800mm。切顶帮采用密集单体、工字钢支护，钢筋网、双抗网挡矸，待工作面推采过70m后，回撤靠切顶帮侧单体，将单体替换为工字钢，工字钢排距0.6m，不回收。
1.5 矿压监测方案
1.5.1 表面位移观测
采用十字布点法，每隔十米布置一组测点，每天测量留巷段顶底板收敛、两帮移近量。
1.5.2 顶板深部位移检测
采用KJ216顶板离层监测分站，观测顶板离层量。
1.5.3 矿压监测
使用锚索、锚杆应力监测计对锚索、锚杆工作荷载进行观测。
2 试验实施过程
百良旭升煤矿切顶卸压沿空留巷试验自2016年8月开始实施至2016年11月底结束，期间历时4个月。9月19日前为基础工程实施期，期间施工切缝孔148个并爆破，布设测点12组，安装顶板离层仪4组，锚索、锚杆应力监测计9组；9月20日～11月底为试验观测期，每天安排专职测量人员记录数据。
3 切顶卸压沿空留巷矿压显现规律
3.1 顶底板移近量规律分析
沿空留巷矿压显现规律分析，根据沿空留巷岩层运动规律的不同，将留巷段顶底板岩层活动分为三个时期。
a前期活动期（超前支承压力影响）
随着工作面推采临近试验地点，留巷段受回采超前支承压力影响。工作面距离试验地点40米以外，留巷段顶板基本无下沉，底鼓量也基本无变化；工作面距离试验地点40～20米期间，顶板下沉、底板底鼓产生微小变化；工作面距离试验地点20～10米期间，变化增强；工作面推采距离试验点10米以内时，回采超前支承压力对留巷段顶板产生剧烈影响，留巷段顶底板变化明显。
b活动过渡期（工作面倾斜方向残余支承压力影响）
工作面推采至试验点时，支架的向前移动，其后方顶板岩层失去支撑，采空区直接顶垮落，岩层垮落后不足以充满采空区时，老顶上覆岩层的重量通过直接顶逐渐转移到巷旁煤体深部，使其出现应力集中，留巷段顶底板产生剧烈变化。
c后期活动期（后方采空区支承压力影响）
工作面推过试验点15米以后，随着矸石的逐渐压实并形成稳定结构，受采动因素的围岩应力重新分布，留巷段顶板受后方采空区支承压力影响逐渐减弱，顶底板变化趋于平稳，工作面推过试验点35米以后，顶底板变化趋于0。
3.2 两帮收敛量规律分析
沿空留巷段两帮收敛量规律与顶底板矿压显现规律相似，工作面距离试验点40米以外时，两帮收敛基本无变化，工作面从40米推采至试验点时，两帮收敛量逐渐加剧；工作面推过试验点时，受支架布置方式影响，支架窜入试验巷道1m左右，紧贴支架挡矸支护滞后，加之支架后窜矸严重，留巷巷道宽度急剧缩小至2.4米；受窜矸侧压影响，工作面推过试验点60米后，两帮收敛才趋于稳定。 3.3顶板深部位移规律分析
通过KJ216顶板离层监测仪数据分析，留巷段顶板深部位移在工作面推采至留巷段时发生剧烈变化，下沉量与顶板下沉观测数据一致。
3.4锚杆（索）受力规律分析
3.4.1锚杆受力分析
帮部锚杆前期受力出现持续增大状态，工作面推采至距离测点5米时，锚杆受力达到峰值27Mpa（148.5KN），工作面距离測点5米位置推采至推过测点8米位置，受直接顶破碎、垮落影响卸压，锚杆受力减小，工作面推过9米位置时，锚杆受力受老顶卸压影响突减至0MPa，推过25米后受力缓慢增加至2MPa稳定。
3.4.2锚索受力分析
顶部锚索受力随着工作面推进，逐步递增，工作面推采过测点4米时，锚索受力达到峰值27Mpa（148.5KN），后受老顶卸压影响数值突减至0，工作面推采过测点22米时，锚索受力又缓慢增加至2MPa后稳定。
4 试验期间遇到的问题
4.1留巷段宽度不足，挡矸效果不理想。
工作面推采过后，由于工作面排尾架布置于轨道巷中央位置，支架后挡矸支护困难（窜矸严重），切顶帮侧挡矸单体只能紧贴支架顶梁支设，拉架后，留巷宽度仅有2.4米～2.8米，与设计（4.0米）相差太远；加之工作面倾角较大，机尾低于机头15～20米，留巷段承受煤层顶板及矸石侧压大，导致切顶帮侧挡矸支柱从中部弯曲变形较多。
4.2挡矸工字钢支护施工不便。
原设计中切顶帮采用密集单体、工字钢支护，工作面推采过后，使用工字钢替换切顶帮单体，由于巷道高度不一，工字钢点柱规格需提前量取加工，施工不便，且受侧压后工字钢易弯曲变形。
4.3留巷段顶板出现开裂现象。
试验段进入505工作面超前20米时，留巷段顶板出现裂缝，长度10米左右，宽度2-3cm。
5 结论及展望
澄合矿业公司百良旭升煤矿505工作面切顶卸压沿空留巷试验，累计成巷100米，已经历老顶两次来压，采空侧顶板基本沿定向预裂爆破孔以大块体切落自动成巷，留巷断面：宽×高=2.4米×2.5米，试验基本达到预期效果，试验成功。
切顶卸压沿空留巷技术能够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，且能实现煤柱回收，预防瓦斯突出等，与传统采煤模式相比有明显的优势，具有推广的价值。