綜放工作面沿空留巷超前預裂切頂卸壓技術研究

于亦飛，劉忠平，雷平博，石景帥

(1.山西高河能源有限公司，山西 長治 047100；2.陜西開拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054)

柔模混凝土沿空留巷具有：回收煤柱，延長礦井服務年限；實現Y型通風，消除回風隅角瓦斯積聚，改善礦井安全條件，提高礦井安全生產水平；改善礦井技術經濟指標等諸多優點[1-3]。目前，柔模混凝土沿空留巷在我國綜采放頂煤工作面中廣泛應用，留巷效果較好，但局部留巷墻體壓力較大，巷道頂板存在臺階下沉現象，特別是留頂煤巷道，為了保證柔模混凝土沿空留巷的頂板穩定性，減小墻體承壓，維護巷道穩定，需在超前工作面推進過程中，對留巷頂板應力集中區范圍或懸頂區提前進行切頂卸壓，消除懸頂現象。為此，在高河煤礦W1309綜放工作面進行了試驗，攻克了綜放工作面留頂煤沿空留巷頂板臺階下沉嚴重的問題。

1 工程條件

W1309工作面位于西一盤區，是西一盤區第三個回采面，周邊均為未采區，無老窯及采空區，無積氣區；西面距井田西邊界150 m，北面為設計的W1308工作面，南面為設計的W1310工作面，東面為南翼大巷。

W1309工作面開采3號煤層，厚度在6.00～6.94 m，平均為6.44 m；煤層傾角3～15°，平均8°；采深450～490 m。工作面傾向長320 m，走向長1 777 m。W1309回風巷頂底板巖層特征見表1。

2 預裂爆破切頂卸壓技術原理

為了保證沿空留巷成巷效果，在超前工作面沿回風巷回采側頂板肩角打設一排切頂卸壓孔，進行切頂卸壓，降低沿空留巷頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉變形壓力，從而大大減小巖梁傳遞到巷旁和巷內支護結構的荷載，從根本上改善巷道的力學環境，沿空留巷不切頂和提前預裂爆破切頂卸壓工作面回采斷頂后效果見圖1和圖2。

表1 煤層頂底板巖層特征

圖1 沿空留巷不切除斷頂采區斷頂后力學模型

圖2 沿空留巷切除斷頂采區斷頂后力學模型

3 聚能預裂爆破參數

3.1 爆破器材

1) 炸藥。品種：三級煤礦許用乳化炸藥；規格：標準節自行灌裝，可采用現有規格；炸藥密度：1 000 kg/m3；裝藥密度：0.95～1.25 g/cm3；爆速：>3 200 m/s。

2) 雷管。品種：煤礦許用毫秒延期8號雷管，符合《工業電雷管》(GB8031-2015)國家標準中有關煤礦許用延期電雷管的要求； 段別：1～4。

3) 導爆索。導爆索采用煤礦許用導爆索，導爆索是以太安、黑索金炸藥為藥芯、用棉線和塑料編織絲等作包纏物，并以塑料為防潮層組成，規格為D5.2～5.5 mm(或D(6.5±0.3) mm)，爆速≥6 000 m/s。

3.2 爆破參數設計

3.2.1 炮孔布位

沿回風巷走向柔模混凝土墻外側肩角布單排平行孔，炮孔偏向W1309工作面，直徑75 mm；藥柱外徑60 mm，裝藥不耦合系數1.25，符合預裂爆破不耦合系數D=1.25～2的要求[4-6]，充分考慮鉆眼施工、裝藥、炮眼利用率及爆破效果等因素，炮孔上傾角70°，如圖3所示。

圖3 預裂炮孔位置剖面

3.2.2 炮孔深度

根據W1309工作面3號煤層和頂板巖層的厚度、結構和巖性，預裂斷頂巖梁主要為5～12.7 m深度的基本頂砂巖，確定沿空留巷頂板上方垂直高度12.7 m范圍為主要處理對象。

根據炮孔傾角，計算最小炮孔深度為：

L=MZ/sin70°=12.7/0.94=13.5 m

經計算取炮孔深度為13.5 m。

3.2.3 炮孔間距

1) 按應力波疊加作用計算(采用不耦合裝藥)。

a=2(b·p2/σt)1/α·rb

式中：a為炮孔間距，m；σt為巖石的抗拉強度，此處為3.69 MPa；P2為炮孔壁初始壓力峰值，MPa；ρ0和D為炸藥密度和爆速；n壓力增大倍數，此處n=10；b為側應力系數，b=μ/(1-μ)，此處，b=0.25/(1-0.25)=0.33；α為應力波峰值在巖體內的衰減指數，α=2-b，此處α=1.67。

a1=2×(0.33×1 280/3.69)1/1.67×2.1×10-2

=1.758 m

2) 按應力波與爆生氣體準靜壓共同作用計算。封閉在炮孔內的爆生氣體以準靜壓的形式作用于炮孔壁，其應力狀態類似于均勻內壓的厚壁筒。根據彈性力學的厚壁圓筒理論及巖石中的抗拉強度準則，則有：

a=2(P0/σt)1/2·rb

式中：P0為作用于炮孔壁的準靜態壓力。

當采用柱狀不耦合裝藥時，有：

a2=2(P0/σt)1/2·rb=2×(111/3.69)1/2

×0.021=0.23 m

因此，按照應力波與爆生氣體準靜壓共同作用原理，炮孔間距為a=a1+a2=1.758+0.23=1.988 m。

由于P2和P0均遠大于巖石抗壓強度，所以孔壁會產生壓碎破壞，產生能量損失，為使裂隙可靠發展，實際a取1 m。

3.2.4 裝藥結構

采用不耦合連續裝藥結構。炮孔深度13.5 m，裝藥長度8 m，封孔長度5.5 m。采用膠帶將炸藥綁扎在2 cm寬的竹片上，送入孔底，竹片總長度14 m。雷管塞入最外端藥卷內，正向起爆，2根腳線引入孔外。1根導爆索綁扎在炸藥上，導爆索總長度為8.5 m，炮孔裝藥結構見圖4。

3.2.5 起爆網路設計

采用煤礦許用毫秒電雷管串聯起爆。試炮時不采用延時爆破，每次起爆5個炮孔。當爆破參數調整合適后，根據炮孔變形情況，采用毫秒延時爆破，但總延時不超過100 ms。

4 工程實踐

4.1 墻體變化規律

W1309回風巷距離切眼50～250 m范圍內未實施超前切頂聚能爆破技術，實測柔模墻體壓力變化見圖5。距切眼251～500 m位置實施預裂爆破技術后，實測柔模墻體壓力變化見圖6。

圖6 預裂爆破段柔模墻體壓力變化規律(251～500 m)

由圖5可見，未切頂卸壓范圍內，柔模墻體壓力在滯后工作面110 m達到最大11.3 MPa，滯后工作面150 m后墻體壓力趨于穩定，巷道變形基本穩定；由圖6可見，切頂范圍內柔模墻體壓力在滯后工作面150 m達到最大1.7 MPa，滯后工作面180 m趨于穩定。

4.2 巷道圍巖變形規律

未實施超前切頂卸壓巷道圍巖變形規律見圖7，實施超前切頂卸壓后巷道圍巖變形規律見圖8。

圖7 未預裂爆破段巷道圍巖變形規律

圖8 預裂爆破段巷道圍巖變形規律

由圖7可見，未切頂卸壓范圍內，頂板最大下沉量為230 mm，兩幫移近量最大為70 mm；由圖8可見，切頂卸壓范圍內，頂板最大下沉量為170 mm，兩幫移近量最大為30 mm。

5 結 語

在高河礦W1309回風巷預裂爆破切頂卸壓段，柔模混凝土墻體承壓大大降低，巷道圍巖變形量減小，巷道頂板臺階下沉量降低，保證了留巷質量，達到了放頂煤沿空留巷的預期效果。