預裂切頂沿空留巷技術的應用研究

鄭艷棟

（大同煤礦集團有限公司安全監管五人小組管理部，山西 大同 037003）

為了解決困擾云岡礦資源枯竭、礦井采掘接替困難的問題，提高煤炭資源回收率，延長礦井服務年限，解決上隅角瓦斯積聚問題，保障礦井安全生產，在綜合考慮井下地質、生產、設備等實際情況后，研究在81043 工作面采用預裂縫切頂留巷技術。81043 綜采工作面長116 m，可采長度約為749 m，埋深373～409 m，煤層的平均厚度為3.72 m，煤層平均傾角為4.2°。81043 綜采工作面沿空留巷的頂板為復合頂板結構，直接頂為泥巖，平均厚度為2.7 m，基本頂為細砂巖，平均厚度為1.8 m，直接底為粉砂巖，平均厚度為3.26 m。在對留巷工藝應用研究的基礎上，進一步對切頂留巷原理、巷道頂板預裂縫工藝參數設計、爆破藥結構設置及置換方案等進行了驗證，最終研究出最佳的預裂縫工藝參數和爆破結構參數。根據實際應用表明，該技術方案頂板垮落及時，成巷效果較好，有效減少了工作面間煤柱損失，解決了工作面上隅角瓦斯積聚問題，保障了工作面安全生產。

1 切頂留巷技術方案

切頂留巷綜采技術方案是指在采用可靠的加強支護條件下，在井下巷道采空區域的指定位置對頂板的側面設置一個超前的人工切縫，將巷道頂部的覆巖和采空區側頂板之間進行隔斷，避免兩個范圍內的應力相互傳遞，將長距離的懸空頂板轉換為短臂梁的結構。當井下綜采面完成回采作業后，短臂梁在人工或者頂板來壓作用下垮塌，形成了穩固的成巷幫，便完成了無煤柱的切頂留巷綜采作業。該技術方案的核心在于對預裂切縫高度、井下爆破參數設計和恒錨阻支護的設計。切頂留巷技術原理如

圖1 所示。

圖1 煤礦井下切頂成巷結構示意圖

2 巷道頂板預裂縫工藝參數設計

煤礦井下巷道頂板的預裂縫高度H 可表示為[1]：

H=（H1-H2-H3）/ （k-1）

式中：H1為綜采面高度，取3.1 m；H2為綜采面頂板下沉量，取0 m；H3為綜采面頂板底鼓量，取0 m；k 為綜采面巷道頂板巖層碎脹系數，取1.41。

結合云崗礦81043 綜采面的實際情況，可知在設置頂板預裂縫時的高度為7.56 m。

預裂縫在設置時需根據便于頂板受力垮落的原則進行設計，因此在設計預裂縫的夾角時以7.56 m的高度為基礎，采用模擬仿真的方案對不同切縫角情況下的垂直應力情況進行分析，結果如圖2 所示。

由仿真分析結果可知，當切縫分別為0°和15°時煤層內側應力集中的位置離煤幫的距離較遠，穩定性較好，而切縫為30°的情況下應力集中的位置距離煤幫較近，穩定性較差。通過對切縫為0°和15°情況下的應力集中情況進行分析，當切縫為15°情況下時的應力集中情況比0°情況下的應力集中情況小，具有更高的穩定性，因此該預裂縫的角度設置為15°。

圖2 不同切縫角情況下的應力分布情況

3 預裂縫爆破參數設置

在進行預裂縫爆破參數設計時，爆破藥對爆破孔的爆破效果會因爆破孔數量、爆破孔距離以及爆破藥的裝藥結構而有所差異[2]。因此為了準確確定云崗礦81043 綜采面的爆破工藝參數，首先根據以往井下爆破工作經驗將爆破孔的距離設置450 mm，爆破孔的數量設置為6 組。在進行爆破驗證時，采用了2+2+1+1 爆破藥結構、3+2+1+1 爆破藥結構、3+2+2+1 爆破藥結構及3+3+2+2 爆破藥結構，不同裝藥結構下的爆破效果如圖3 所示。

圖3 不同裝藥結構情況下的爆破效果示意圖

由實際爆破結果可知，當采用2+2+1+1 的爆破藥結構時，在爆破孔內僅產生了極不明顯的爆破裂紋，爆破通透率不足50%，且裂紋僅產生在爆破孔的底部位置；當采用3+2+1+1 的爆破藥結構時，在爆破孔內產生了較為明顯的爆破裂紋，爆破通透率達到72%，但各個爆破裂紋之間存在明顯的段差，無法形成連續的爆破裂紋；當采用3+2+2+1 的爆破藥結構時，在爆破孔內產生了較為明顯的爆破裂紋，爆破通透率達到82%，各個爆破裂紋之間形成了較高的連續性和對稱性，僅在爆破孔管口約300 mm處存在一定的未爆破透現象；當采用3+3+2+2 的爆破藥結構時，在爆破孔內產生了極為明顯的爆破裂紋，爆破通透率達到了97%，且出現了明顯的垮塌現象，對頂板表面形成了較大的破壞，影響留巷效果。因此綜合分析后采用3+2+2+1 的爆破藥結構時具有最佳的爆破效果。

4 恒錨阻支護

為了提升煤礦井下切頂成巷及回采期間巷道的穩定性，設置了恒錨阻支護結構[3-4]。根據實際驗證，在原錨索支護結構基礎上進行加強，第一排的支護距離巷道切縫側0.5 m，支護結構之間的排距設置為1.5 m，第二排和第一排錨索之間的距離設置為1.6 m，排距設置為3 m。根據煤礦井下切頂成巷時的實際環境，恒錨阻的直徑為21.7 mm，最大允許變形量為24 mm，恒阻值設為300 kN，預緊力不應小于240 kN。該恒錨阻支護結構如圖4 所示。

圖4 恒錨阻支護結構示意圖

自該切頂留巷技術方案應用以來，綜采工作面作業的安全性和穩定性得到了極大的提高，雖然增加了一道留巷工藝，但是從根本上解決了目前困擾礦井生產的采掘接替緊張問題，同時減少了煤柱損失，進一步提高了煤炭資源回收率，對礦井長遠發展具有非常重要的意義，對其他類似礦井采用留巷技術具有一定的借鑒意義。

5 結論

云崗礦采用預裂縫切頂留巷技術，積累了相關經驗：

（1）頂板預裂縫高度為7.56 m，其角度設置為15°，能夠確保頂板及時垮落，保證成巷效果；

（2）采用3+2+2+1 的爆破藥結構具有最佳的爆破效果，爆破孔內能產生較為明顯的爆破裂紋，各個爆破裂紋之間形成了較高的連續性和對稱性；

（3）采用恒錨阻支護方案，能夠顯著提升煤礦井下切頂留巷及回采期間巷道的穩定性；

（4）切頂留巷技術能夠提高綜采工作面作業的安全性和穩定性。