綜放工作面沿空留巷切頂卸壓護巷技術研究

常晉雷，宋瑞軍，劉 洋，羅厚林

(1.山西煤炭進出口集團有限公司 經紡莊子河煤礦，山西 長治 047100；2陜西開拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054)

煤炭作為一種不可再生資源，隨著煤礦的不斷開采，煤炭資源越來越少，而傳統的留設保護煤柱造成的煤炭回收率低、資源浪費的問題日益突出[1]；沿空留巷切頂卸壓作為一種無煤柱開采技術，不僅可以提高煤炭資源采出率、延長礦井服務年限、減少巷道掘進量、緩解采掘接替緊張狀況，是我國煤炭安全高效開采的關鍵技術之一[2-3]，沿空留巷切頂卸壓的技術關鍵為提前對頂板進行預裂切縫，目前，應用較為廣泛的技術主要有預裂爆破和水力壓裂技術[4-6]。何滿潮等[7]在大量室內試驗和生產實踐的基礎上，提出了以“切頂短臂梁”為基礎的切頂沿空成巷新方法，在薄煤層、中厚煤層﹑厚煤層以及破碎頂板、堅硬頂板和復合頂板等不同頂板條件下的煤層中得到了成功應用[8-9]。

本文根據常村煤礦S5-16工作面巷道頂板條件，在井下實施沿空留巷切頂卸壓護巷技術的同時，不斷優化爆破參數，最終得到了合理的爆破參數；留巷后巷道整體變形情況不大，對于其他同類礦井綜放工作面使用切頂卸壓護巷技術具有一定的參考價值和借鑒意義。

1 工程條件概況

1.1 工作面及留巷概括

常村煤礦在S5-16工作面實施沿空留巷切頂卸壓[10]技術，S5-16工作面寬度294 m，工作面設計推進長度660 m，回采至與S5-17切眼齊平時開始沿空留巷，留巷長度437 m。留巷寬度為4 500 mm，凈寬4 300 mm，巷道高度為3 700 mm。S5-16工程沿空留巷平面圖見圖1。

圖1 沿空留巷工程平面(mm)

1.2 地質條件

S5-16工作面主采3號煤，煤層厚度平均為5.8 m，煤層層理明顯，節理、裂隙較發育。煤層傾角0～10°，普氏硬度f=0.4，容重為1.4 t/m3。頂煤平均厚度2.4 m，工作面直接頂為2.8 m厚的泥巖，黑色、塊狀、致密、質均、屬于較硬巖層；老頂為6.6 m厚的中粒砂巖，灰色，長石石英為主，水平層理，垂直裂隙發育，屬于堅硬巖層；在老頂之上是一層3.0 m厚的較硬泥巖，泥巖上還有一層1.3 m厚的堅硬細粒砂巖。工作面直接底為1.2 m厚的泥巖；老底為1.5 m厚的細粒砂巖。煤層頂底板情況見表1。

2 切頂卸壓技術工藝及效果分析

2.1 技術工藝

切頂卸壓就是在軌道巷道應力集中區范圍或懸頂區使用定向聚能爆破[11]進行切頂卸壓，通過切頂卸壓，消除懸頂現象，降低沿空巷道頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉變形壓力，從而大大減小了巖梁傳遞到巷旁和巷內支護的荷載，從根本上改善巷道的力學環境。沿空留巷懸頂見圖2，沿空留巷預裂爆破切頂卸壓效果見圖3。

圖2 沿空留巷懸頂

圖3 預裂爆破切頂卸壓效果

2.2 爆破參數

本次爆破采用三級煤礦許用乳化炸藥、1～5段煤礦許用毫秒延期雷管、煤礦許用導爆索及D型聚能管。根據理論分析計算及在S5-16工作面頂板取芯分析，初步確定炮孔傾斜角度75°、炮孔直徑50 mm，深度11 m、切頂長度6 m、封孔長度5 m、炮孔間距600 mm、裝藥量450 g/m。采用孔底不耦合連續裝藥，聚能藥包定向斷裂爆破。聚能藥包定向斷裂炮孔布置見圖4，裝藥結構見圖5。

2.3 爆破效果分析

1) 爆破過程：采用可調壓氣動膠槍將乳化炸藥注入聚能管內，單節聚能管長度一般為2 m，聚能管間采用專用連接件連接并用螺絲固定，最后采用細鐵絲將連接件與聚能管捆扎3道，確保聚能管間捆扎牢固，可靠傳爆炸藥。聚能管扣蓋必須朝向采空區一側，每節聚能管安裝1個D50 mm鉆孔用定位塊，確保聚能與預裂方向一致。

圖4 聚能藥包定向斷裂炮孔布置

圖5 聚能藥包定向斷裂炮孔裝藥結構

2) 判斷依據：根據措施孔內縱向裂縫的有無和長短可以直觀判斷出預裂切頂爆破效果的好壞，進而分析出預裂切頂爆破炮孔的間距或施工是否合理。若在觀測孔內未發現縱向裂縫或只有局部縱向裂縫，說明炮孔間距偏大，應縮小炮孔間距；若在觀測孔內發現縱向裂縫長度達裝藥長度60%以上，說明炮孔間距合理；若在觀測孔內發現縱向裂縫長度達裝藥長度90%以上，且孔內有巖石破碎現象，說明炮孔間距偏小，應增大炮孔間距。

3) 效果分析：使用窺視儀對炮孔進行窺視，結果見圖6，預裂切頂爆破后在措施孔內均產生了明顯縱向裂縫，但是裂縫生成長度不夠，裂縫分布也不均勻，沒有定向擴展規律；另外措施孔內14 m處出現巖石碎片，有塌孔現象，此次爆破沒有達到爆破預期效果。

圖6 炮孔窺視效果

3 切頂卸壓技術工藝優化方案

針對前期爆破沒有達到預期效果，經井下現場打鉆、取芯對比后，與原提供的地質資料存在差異。需重新優化確定炮孔長度，理論計算具體過程如下：

1) 切頂高度計算。為使綜放工作面頂板垮落矸石充滿采空區，則切頂高度可根據如下公式計算：

C=(1-η)TKm

式中：Mz為切頂高度，m；KA為垮落巖層的碎脹系數，取1.25；H為割煤高度，取3.2 m；T為頂煤厚度，取2.6 m；SA為老頂下位巖梁觸矸處的沉降值，在一般采場SA=0.2H；C為殘煤厚度,m；η為放出率，取0.85；Km為頂煤垮落后的碎脹系數，取1.1；經計算得：C=0.429 m，Mz=18.9 m。

2) 炮孔長度計算。根據以上分析，頂煤和頂板矸石完全充滿采空區的切頂高度為18.9 m，根據現場頂板取芯柱狀圖得出：確定沿空留巷頂板上方垂直高度16 m范圍內巖層為主要弱化對象。因此，炮孔長度L為：

L=Mz/sinβ

經計算得：L=16.46 m，根據取芯結果以及其他礦井爆破施工經驗，取炮孔長度16 m,即可保證關鍵層破斷，滿足綜放沿空留巷切頂卸壓要求。因此，將裝藥結構優化為：炮孔長度16 m，裝藥長度4 m，封孔5 m，孔底不封孔。裝藥段爆破頂板關鍵層，從而消除關鍵層懸頂現象，降低沿空巷道頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉變形壓力。優化后裝藥結構見圖7。

圖7 優化后裝藥結構

4 切頂卸壓優化后效果及留巷效果分析

切頂卸壓方案優化后，爆破效果較前期未優化方案，效果明顯，基本達到爆破預期效果及目的；留巷結束后，通過圍巖變形監測數據分析，巷道整體變形量不大，基本滿足巷道復用要求。

4.1 爆破效果分析

使用窺視儀窺視后，結果見圖8，從圖中可看出，預裂切頂爆破后在措施孔內產生了明顯縱向裂縫且裂縫長度達到了裝藥長度60%以上、孔內也沒有巖石破碎現象，證明預裂爆破有效果且效果較好，炮孔間距也合適；爆破后切縫線構成了一個結構面。

預裂切頂爆破后既沒有對留巷頂板造成破壞，也沒有對巷道頂板錨索的端錨位置巖體結構造成破壞，導致錨索失效；回采面采空區直接頂上部的亞關鍵層垮落緩慢下沉，不存在隨采隨跨壓力集中顯現的情況。

圖8 優化后炮孔窺視效果

4.2 留巷后圍巖變形監測數據分析

根據留巷后巷道實際情況，分為3段對巷道礦壓顯現進行分析，分別為前0～140 m(前段)、140～300 m(中段)、300～387 m(末段)，具體分析情況如下，礦壓監測站布置如圖9所示。

圖9 沿空留巷礦壓測站布置

1) 留巷前段。前140 m留巷段巷道表面位移自留巷施工結束至今變化量不大，趨于穩定。沿空留巷設計高度3.8 m，現巷高3.1 m，設計寬度4.5 m，現平均寬度3.9 m，個別柔模墻體上部有破損現象。

在留巷30 m處布置一處位移監測點，并第一次記錄數據，取該段第1組測點進行圍巖變形分析，第2組數據100 m后變形量基本穩定，無變化，監測點圍巖收斂變形監測情況見圖10。

圖10 留巷前段位移觀測變化

通過位移變化量曲線圖可知：頂沉量：在工作面回采70 m范圍內，頂板下沉量總體不超過50 mm，回采70 m至120 m的范圍內頂板下沉量逐漸增加到100 mm；考慮到測量誤差因素，總體上頂板下沉緩慢，變化量較小；底鼓量：回采100 m范圍內底鼓量在100 mm之內緩慢增加，工作面回采超過100 m，底鼓量突然增大到150 mm(該處進行過淤泥清理工作)，之后趨于平緩；結論：目前回采里程140 m范圍內底鼓量變化較小，局部地段適當進行起底工作。

墻體移近量：墻體移近量在測量范圍內總體變化量不超過50 mm。

煤幫移近量：煤幫移近量總體上在50 mm范圍內波動。

2) 留巷中段。在留巷距離160 m處布置中段位移監測點(即3號測站)，此處是沿空留巷礦壓顯現最明顯區域，監測點圍巖收斂變形監測情況見圖11。

圖11 留巷中段位移觀測變化

通過位移變化量曲線圖，得出：頂板下沉量：在工作面回采63～70 m范圍內，該段頂板下沉量最大100 mm；回采93 m時，頂板下沉量為200 mm，有所增加；回采至181 m時，頂板下沉量由200 mm增加到450 mm；181 m以后，漸趨于穩定，下沉量不大。

底鼓量：回采63 m范圍內底鼓量在50 mm之內，變化較小；工作面回采到93 m時，巷道發生輕微底鼓，底鼓量150 mm左右；回采至181 m時，底鼓量逐漸增大到320 mm；216 m后巷道底板漸趨穩定。

墻體移近量：在工作面回采63 m范圍內無變化，工作面回采至63 m范圍外逐步向采空區移動，移動量為50 mm。

煤幫移近量：據工作面30 m范圍內，煤柱側幾乎沒有變形，隨著工作面推進，頂板壓力增大，幫鼓量也開始增大，距工作面63～70 m，幫鼓量逐漸增至120 mm；之后隨著與工作面距離的增加到93 m，幫鼓量增大至250 m；與工作面距離在93 m以后，幫鼓量急劇增加至710 mm；與工作面距離在216 m以后出現穩定。

由該測站的觀測數值可知，在沿空留巷期間，巷道的圍巖收斂量均不大，頂板下沉量最大為480 mm，底鼓量最大為320 mm，墻體移近量最大為50 mm，煤幫移近量最大為710 mm。煤幫移近量較大的原因在于工作面回采期間，煤柱幫屬于采場上覆巖層中橫三區的煤壁支承區，該區域在回采區域屬于應力增高區，而常村煤礦煤層較軟，硬度系數僅為0.4，在高應力的影響下，煤體發生破碎，塑性形變進一步加劇，致使幫鼓量較大。同時，自沿空留巷后，在回采過程中有兩次較大的來壓，一次位于距工作面63～93 m范圍內，在該范圍內，受到3～4次周期來壓影響，頂板發生離層，采空區側上方老頂在原有裂隙帶的基礎上破斷，覆巖運動劇烈導致頂板離層值迅速增加，巷道出現來壓；一次位于距工作面93～191 m范圍內，初步分析，該時期進入壓實區，采空區深部巖層頂出現垮落下沉，作用于所留巷道，造成一次較大的來壓，巷道變形量也明顯增加。

3) 留巷末段。留巷末段礦壓與圍巖觀測整體變化量不大，巷內平均高度3 100 mm，平均寬度4 200 mm，巷道下沉量、底鼓量、幫收斂量基本上在50 mm左右，不需要進行二次修復，滿足留巷復用要求。

5 結 語

1) 預裂切頂爆破的關鍵是確定合理的爆破參數，使用預裂爆破切頂卸壓技術后,既不會對留巷頂板造成破壞，也不會對巷道頂板錨索的端錨位置巖體結構造成破壞，爆破后切縫線構成了一個結構面，回采面采空區直接頂上部的亞關鍵層垮落緩慢下沉，不存在隨采隨跨壓力集中顯現的情況。

2) 采用不耦合連續裝藥，導爆索多點起爆聚能藥包，每5個連續炮孔為一組，單次最多起爆5個炮孔。爆破后使用窺視儀窺視措施孔，確定爆破效果及時優化爆破參數；最終確定了常村煤礦S5-16工作面切頂卸壓參數為炮孔傾斜角度75°、炮孔直徑50 mm，深度16 m、切頂長度4 m，封孔長度5 m、炮孔間距600 mm、裝藥量450 g/m時爆破效果最好。

3) 常村煤礦S5-16綜放工作面沿空留巷切頂卸壓護巷技術，在現場實際工程中的成功運用：留巷后壓力沒有集中顯現，圍巖變形得到有效控制，對于其他煤礦綜放工作面使用切頂卸壓護巷技術具有一定的參考價值和借鑒意義。