浅谈切顶卸压沿空留巷技术

2018-04-04 01:24:08
福建质量管理 2018年22期

(山西保利铁新煤业有限公司 山西 晋中 031302)

一、前言

切顶留巷的施工方法对于整个支护作业来说很重要,顶板比较完整时,施工要按照工作面超前打眼→装药、封孔→打注浆锚杆→爆破→加强支护→巷旁支护→工作面割煤→工作面超前打眼的顺序进行;在顶板破碎时,施工按照工作面超前打眼→加强支护→装药爆破→巷旁支护→工作面割煤的顺序来进行。加强支护选择锚注支护,利用注浆锚杆向顶板注浆充填裂隙,胶结顶板,巷旁支护根据采空区管理需要可选择单体支柱、粉煤灰袋和巷旁充填的方式。

二、切顶卸压技术分类

(一)主动切顶。所谓主动切顶,就是采用爆破手段,沿走向将巷道采空区一侧的顶板切落,它分为采前切顶和采后切顶。所谓采前切顶是指在工作面前方机巷内,沿巷道上帮的顶板在走向上形成一条有一定深度的预裂爆破的裂缝,待巷道进入采空区后方时,采空区内的顶板在自重作用下沿预裂爆破形成的弱面切落下来,这类方法如中国矿大的预裂聚能爆破切顶成巷技术[1]。采后切顶是指在工作面后方,沿巷道采空区侧,采用爆破手段放顶,使悬露的直接顶板切落下来。采前切顶比采后切顶的效果好,主要是采前预裂爆破时,顶板完整且尚未离层移动,到工作面后方时,顶板能及时切落并消除对巷内支护体的多余载荷,巷内顶板受力和变形小。

(二)被动切顶。所谓被动切顶就是利用刚度高、承载力大的巷旁支护体对巷旁顶板提供一个较大的切顶阻力,使采空区侧的顶板产生拉剪式破坏并切落下来。这种切顶方法效果不好,原因如下:

一是切顶支护体的安放滞后工作面,这时直接顶乃至老顶已经离层和下沉,使巷道变形量增大。二是切顶支护体是被动受力。首先是直接顶的离层和下沉并将直接顶载荷作用在切顶支护体上,但初期仅直接顶的载荷还难于切落顶板,因此往往初期直接顶在采空区后方还悬露较长时间和范围。后期随着老顶的断裂和回转下沉并将载荷作用在直接顶上,随着顶板压力的增大,直接顶在采空区切落下来,这时老顶的第一断口并不在切顶支护体上方,而在下帮煤璧附近或在巷道控顶区上方,老顶以煤璧为支撑点向下回转,而巷旁切顶支护物类似于杠杆原理的一个支点,将受到很大压力作用,往往造成巷旁支护体的大变形和破坏。但该技术是沿走向在靠采空区一侧的顶板施工一排锚索,施工得越早效果越好,利用锚索将直接顶与老顶紧密连接在一起,在锚索切顶面上形成较大的拉应力和剪应力,使直接顶及时切落下来。切落前的直接顶载荷主要由老顶岩梁结构承担,减轻了巷内和巷旁支护体的受力,这是一种较好的被动切顶方法。

三、采场基本顶沿裂断规律分析

(一)采场基本顶沿走向方向。采场上覆岩层的破坏是由上而下逐渐产生的,通常需要离层、沉降、断裂、冒落的发展过程。在此过程中围岩支撑应力会随着重新分布,产生的应力变化会在支护体和巷道围岩表现出来。顶板断裂规律和其受力状态有着直接关系,而在现场实际观察中很难观察到除直接顶以外的上覆岩层运动规律[2]。

经典采场覆岩破坏规律与支承压力分布关系可以反映出工作面开采以后,从三维及二维不同角度的覆岩发育情况。煤层采出后,围岩应力重新分布,作用在煤层、岩层和矸石上的垂直压力称为“支承压力”。准确合理的计算或预计出工作面采场周围支承压力分布规律与范围,对相邻巷道合理的开挖位置及时间、采场支护方式选择、估计地表沉陷范围及由支承压力影响造成动力灾害事故预防都具有非常重要的工程应用意义。在现场实践及理论研究中表明,水平开采时,采场推进至需控岩层初次来压结束期间的支承压力的变化可划分为以下三个阶段:

(1)单一弹性分布阶段。在该阶段,基本顶压力随着采场推进逐渐增加,并传递至煤层上。因煤体中各点的压力没有达到煤体的破坏极限,此时在煤壁内的整个煤层都处于弹性压缩状态下,支承压力分布是一条高峰在煤壁前方一定范围的单调下降曲线。

(2)塑性破坏区的分布阶段。从煤壁支承压力变化到基本顶岩梁端部出现断裂为止。进入该阶段,煤壁所承受得应力达到其强度极限值,煤体开始破坏同时支承性能降低,煤体上支承压力分布划分成2个区间:在塑性区(煤体完全破坏)压力逐渐上升,在弹性区压力则单调下降,弹塑性区的交界处为压力高峰位置。

(3)出现内应力场的分布。岩梁端断裂后,以断裂线为界支承压力分布明显地分为两个部分,即在断裂线与煤壁之间由拱内己断裂岩梁自重所决定的“内应力场”,以及在断裂线外由上覆岩层整体重量所决定的“外应力场”。

(二)采场基本顶沿倾向方向。以往对采场上覆岩层运动规律,我们大多只关注于推进方向的运动规律,对两侧顶板关注很少,但随着绿色开采、提高回采率的提出,沿空留巷技术的逐渐应用,侧向顶板岩层运动规律研究日渐被重视。侧向顶板岩层移动会明显影响沿空留巷巷道应力和围岩变形。侧向顶板结构稳定性时,应用关键层理论的原理和方法来分析是适宜的。按照上述理论,基本顶是对沿空留巷稳定性影响最大的岩层,也就是说基本顶的运动规律对沿空留巷侧向顶板的稳定情况起着至关重要的作用。在工作面的回采后,采空区基本顶初次以“O-X”,形势破断垮落[3]。

四、沿空留巷技术难点问题

无煤柱开采是一项先进高效的开采技术,在我国各种煤层条件都得到过实验应用,但是效果都不尽理想,使得此项技术发展受到了制约,还需要进一步深入研究发展,其表现出来的主要问题有:

(1)传统沿空留巷技术忽略了巷内支护对巷道的影响以及巷帮煤体对巷道顶板的影响,仅考虑巷旁支护体与顶板的支护关系。

(2)不同直接顶厚度在切断时的状态研究不足,不同顶板条件巷旁支护阻力和支护参数确定研究不足,需要对不同顶板条件进行分类计算,得出巷旁支护体的支护阻力,才能指导现场实践。

(3)巷旁充填体上覆顶板的承载性能研究不够深入。以前对巷旁支护研究主要是巷旁支护体的支护阻力,但对顶板的破断规律、沿空留巷充填体上覆顶板承载性能、载荷传递特征、与墙体刚度的匹配性研究都不多,而通过众多现场实践证明,充填体上覆顶板的承载性能对沿空留巷成功与否起关键的作用。

(4)以往数值模拟多为二维,而沿空留巷为三维问题,二维不能正确的反应巷道围岩受力和顶板下沉情况,应更多的采用三维建模进行数值模拟。

五、结束语

综上所述,切顶卸压沿空留巷技术,避免了留设煤柱造成的资源浪费,提高资源回收率,减小采掘比,提高生产效率;减小巷道掘进及返修工程量,简化工作面端头维护工作量,降低工人劳动强度,能取得显著的社会效益。