王村煤礦沿空留巷及爆破切縫鉆孔研究

劉 偉

(晉能控股煤業集團王村煤業有限責任公司，山西 大同 037003)

0 引言

王村煤礦8305工作面布置在4號煤層中，煤層平均厚度2.71 m，走向長度707 m(2305巷至盤區回風巷)5305巷718 m，可采625 m。工作面長度198.3 m。8305工作面北相隔43.5～82.5 m為8303工作面采空區。工作面將遇4條正斷層，但斷層對回采影響較小。

根據之前工作面的回采經驗，工作面上方4 m處施工專用頂回風巷，工作面回采后采空區自動垮落。按照王村煤業公司成本核算辦法，頂回風巷材料成本及人工成本12 000元/m計算，頂回風巷需費用960萬元。外加設備的租賃費用、洗煤廠矸石的洗選費用等，共計1 200萬元，預計頂回風巷的施工工期為9個月，接替銜接非常緊張。為了節省專用頂回風巷施工費用，試驗采用沿空留巷開采方法。

由于8305工作面采用沿空切頂留巷，現對5305回風順槽施工頂板爆破切縫鉆孔，探索使用KZQJJ-1200/11.9S氣動架柱式振動鉆機，鉆桿直徑φ42 mm，鉆頭直徑均采用φ48 mm，施工長度為工作面煤壁側停采線至老塘幫635 m，在8305工作面采煤之前，自工作面向外，沿著回風順槽方向每隔50 m布置取芯鉆孔10個，目的為探明直接頂向上各煤巖層的巖性特征，確定最合理切頂爆破實施方案。經過對所有鉆孔取出的巖芯進行分析后得出，最佳的切頂爆破鉆孔深度為8.3 m，采用間隔30 cm密集布置的方式，結果是顯而易見的。首先，不用每個鉆孔裝藥爆破，節省了炸藥量和人工；其次，頂板切頂效果好，頂板在采完煤后能夠迅速塌下，形成一個穩定的采空區。

1 沿空留巷和切頂卸壓開采技術

1.1 沿空留巷理論分析

沿空留巷技術是指在采煤工作面結束后沿著留下的采空區，對原回采巷道進行相應的維護修理，這樣是為了回收傳統采煤中的留置保護煤柱。利用一定的技術將上一區段內的順槽重新支護，從而留給下一個區段繼續使用[1]。這種留巷的方法就是沿著采空區的邊緣進行順槽完整保留，不僅可以提高對煤柱寬度的控制率，還可以減少順槽的變形量，增加煤礦的回收率，便于維護巷道。在施工過程中，還需要隔離采空區和巷道，留下一定空間，以防瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體進入巷道，從而對工作人員造成安全威脅。雖然該項技術有利于煤礦綜采安全生產，但是在過去幾年當中，施工的失敗率多于成功率，以致很多工程隊伍都對應用該項技術失去了信心。近幾年，由于新技術開發節奏變快，支護理論也取得了很大進展，推行小煤柱開采，不僅阻止了采空區瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體擴散，也在一定程度上保證了掘進巷道的安全性。經過理論測試，6 m小煤柱是最安全的煤柱，目前廣泛地應用于大同礦區煤田范圍之內[2]。

1.2 切頂卸壓技術

切頂卸壓開采技術采用聚能管定向爆破技術沿著巷道軸向靠近工作面側超前預裂頂板，在工作面周期來壓作用下，頂板沿著預裂縫切落[3]。切頂范圍內頂板巖體垮落碎脹，支承上覆巖層，從而減少上覆巖層的下沉和回轉變形，實現留巷卸壓。再沿著工作面幫與頂板夾角處打30 cm深柱窩孔，用來固定U29鋼棚腿(共用2根，一根插入柱窩，一根帶柱靴固定在底板上，2根重疊起來中間用柱環卡住，相互錯動達到巷道的實際高度)并掛網保證切落的頂板不落入回風巷中，切落的頂板巖體形成巷幫，隨著工作面推進進行噴漿形成假墻，再經過采空區側防漏風，防火處理即可使用。切落采空區內古塘定期注入惰性氣體防止自燃。預計需要使用1 250根單體柱，在單體柱之間使用頂板壓力計測量頂板變形情況，隨時準備加強支護。從而實現一面一巷的回采方式。主要的工藝流程為：掘進施工工作面上下2條順槽—使用大變形恒阻錨索超前加固回風順槽側采空區頂板—采用聚能環定向爆破技術進行頂板預裂縫施工—回采工作面—頂板周期來壓作用下，切頂范圍內巖體沿著預裂縫自動切落成巷幫—對工作面后方穩定區巷道進行二次維護—對成巷區進行防漏風防火等密閉處理措施[4]。

2 “Y”型通風與沿空留巷結合技術

在礦井采用“Y”型通風之前采掘工作面供風采用“U”型+局扇通風方式，風路復雜繁瑣，“U”型通風方式中的采煤工作面上隅角及回風巷瓦斯濃度經常超限，制約著煤礦的正常生產和效益的提高[5]。為了沿空留巷嚴控工作面瓦斯而采用“Y”型通風方式，將原來的“U”型一進一回改為“Y”型兩進一回通風方式，從根本上消除和解決了上隅角及回風巷風流中瓦斯管理困難等方面的安全隱患[6]，如圖1所示。過去的通風方式，需要打一條專門的頂回風巷用來補充回風，防止瓦斯超限和有毒有害氣體的排出，即由2305巷進風，5305巷和8305巷作為回風巷進入東盤區回風巷。如圖2所示，由2305巷和8305巷進風，再通過5305巷一小段聯絡巷和西盤區輔助回風巷回風。

圖1 原8305回采巷道平面示意Fig.1 Plane of the original 8305 mining roadway

圖2 8305沿空留巷平面示意Fig.2 Plane of 8305 gob-side entry retaining

3 沿空留巷成果探究

由于2305巷南側40 m為補回風巷，8305切眼巷西側40 m為補回風巷；回采方式采用5305沿空留巷作為回風巷，工作面采用切頂卸壓自動成巷(沿空留巷)后退式走向長壁工作面全部垮落采煤法。此方法可節約一條專用回風巷的施工成本[7]。

支護：5305巷沿空留巷段前除原有支護外增加兩排補強錨索加強支護；超前支護100 m，三排；沿空留巷段200 m，四排；留巷的采空區側使用金屬網、U29鋼和液壓單體柱作為擋矸墻；2305巷超前支護30 m。如圖1～3所示。

通風系統：8305工作面通風方式為“Y”型，2305皮帶順槽為主進風巷，5305回風順槽為輔進風巷。2305皮帶順槽、8305工作面切眼和5305回風順槽組成8305工作面回風系統[8]。

切頂卸壓：采用數值方法對無切縫和有切縫模型進行模擬計算，結果表明，切縫能夠有效地切斷巷道及采空區頂板之間的應力傳遞，而且使得巷道頂板變形量得到有效控制，極大地減小圍巖變形量。8305工作面采用對頂板預裂爆破形成切縫的方式，在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，減弱巷道頂板壓力，保護巷道頂板完整性。利用補強錨索進行補強加固，控制頂板下沉，使所留巷道圍巖能夠最大限度地發揮自身承載作用，減少巷道變形，使留巷效果達到最好[9]。在工作面推進過程中，所留巷道會受到動壓影響，需對架后臨時支護區采取單體液壓支柱臨時支護的措施。

圖3 8305沿空留巷支護示意Fig.3 Support of 8305 gob-side entry retaining

爆破：采用雙向聚能爆破預裂技術，將三級煤礦乳化炸藥裝在2個設定方向有聚能效應的裝置中，多孔裝藥，連續爆破。起爆后，炮孔圍巖在非設定方向上均勻受壓，而在設定方向上集中受拉，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巖石按設定方向拉裂成型，從而實現被爆破體按設定方向拉裂成型[10]。如圖4所示。

圖4 裝藥結構示意Fig.4 Charging structure

為減小切落頂板垮落時對留巷頂板的摩擦力作用[11]，且使得切縫頂板更容易垮落，要求5305巷道切縫孔與鉛垂線成15°夾角。切眼切縫孔與巷道頂板垂直，孔深8.3 m，垂直切縫深度8.0 m。

雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內徑為36.5 mm，管長1 500 mm。聚能爆破炸藥采用煤礦許用三級乳化炸藥，采用炸藥規格為φ35 mm×300 mm/卷，電雷管采用同一段煤礦許用瞬發電雷管，爆破孔口采用水炮泥封孔[12]。裝炮泥的炮袋為φ42 mm×500 mm塑料炮袋，水炮泥外剩余部分用黏土炮泥封實。

連線方式采用大串聯，生產班只負責本班進尺的預裂爆破。嚴禁超前生產進行頂板預裂。

在5305順槽巷頂板距幫100 mm施工頂板松動預裂鉆孔，鉆孔角度與水平面夾角為75°。使用KZQJJ-1200/11.9S氣動架柱式振動鉆機加放震動炮，才能達到理想要求，鉆孔深度8 m，鉆孔間距0.5 m，一般每次放一個圓班的長度。切頂預裂爆破在進行聯孔爆破后對頂板進行預裂爆破施工，先在8305切眼做爆破，當工作面開采推進至支架尾端距切眼古塘幫1.5 m后，從切眼5305回風順槽側開始爆破孔的施工，首次爆破選擇8305切巷眼，切眼內單個孔起爆試驗，后期根據試驗的爆破效果調整一次起爆數量。爆破切縫鉆孔示意圖如圖5所示。

圖5 爆破切縫鉆孔示意Fig.5 Blasting cutting-seam drilling

4 結論

(1)8305工作面有效地利用有利位置，采用切頂卸壓自動成巷(沿空留巷)后退式走向長壁工作面全部垮落采煤法，可節約一條專用回風巷的施工成本，縮短準備工期。

(2)根據5305的實際支護情況，選擇了適當的支護參數，有效維護留巷段的頂板。為工作面回風提供有力保障，“Y”型通風，工作面沒有上隅角，減少瓦斯積聚。

(3)鉆機不再采用過去的立柱撐住頂板和底板，而是有底座，加快了穩裝速度。經過調試后就能工作，而且效果良好，能夠將鉆孔打在一條直線上，成孔效率高。

(4)沿空留巷是技術上更為先進和合理的無煤柱開采方式，是降本增效、提高煤礦經濟效益的有效手段，正確加以應用能獲得比沿空掘巷更好的綜合效益。