沿空掘巷切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用研究

常延崗

（潞安化工集團(tuán)漳村煤礦，山西 長治 046000）

目前沿空掘巷被廣泛應(yīng)用在回采巷道掘進(jìn)中，而留設(shè)的煤柱寬度直接影響巷道的支護(hù)效果。若煤柱過寬，沿空幫將形成一定的承載力，更利于巷道維護(hù)，但存在兩個突出的問題，一方面對于高突礦井需增加消突工程量，另一方面是造成資源浪費；若小煤柱過窄，巷道受臨近已回采工作面支承應(yīng)力影響較大，且需約半年時間待頂板穩(wěn)定后方可掘巷，不利于礦井的生產(chǎn)接續(xù)。基于此，漳村煤礦為提高資源回采率，減少巷道維護(hù)成本，保證礦井接替正常及延長其服務(wù)年限，在2502 工作面進(jìn)風(fēng)巷實施超前切頂卸壓[1-5]沿空掘巷技術(shù)。

1 工程概況

漳村煤礦25 采區(qū)位于+240 m 水平下部，2504工作面東臨25 采區(qū)邊界煤柱，西臨25 采區(qū)回風(fēng)下山，南臨2502 工作面采空區(qū)，北臨2506 工作面。開采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組3 號煤，煤質(zhì)為貧煤。根據(jù)工作面回采地質(zhì)說明書顯示，工作面中部發(fā)育一背斜構(gòu)造，兩翼巖層坡度為5°～7°，背斜軸部傾向為WN。受背斜構(gòu)造影響，工作面整體呈現(xiàn)兩邊低、中間高，平均高差約22 m。2504 工作面進(jìn)風(fēng)巷采用矩形斷面，斷面規(guī)格：凈寬×凈高=5 m×3.2 m；與2502 工作面回風(fēng)巷留設(shè)小煤柱寬度為15 m，斷面規(guī)格：凈寬×凈高=5 m×3.5 m。

2 切頂卸壓圍巖控制原理

設(shè)定沿空掘進(jìn)巷道上覆巖層為A 巖塊，相鄰工作面上覆巖層為B 巖塊。通過在相鄰工作面順槽沿巷道軸向采用爆破預(yù)裂措施，隨工作面的推進(jìn)，B巖塊沿預(yù)裂面垮落下來，則A 巖塊與B 巖塊斷開，失去層間聯(lián)系，使小煤柱沿空巷道周邊圍巖應(yīng)力重新分布，極大地改善了應(yīng)力環(huán)境。爆破切頂后，一方面加快B 巖塊沿預(yù)裂面切落的速度，采空區(qū)頂板提早趨于穩(wěn)定，減少頂板側(cè)向支承應(yīng)力對沿空巷道的影響；另一方面促使A、B 巖塊斷開聯(lián)系，阻止B 巖塊在斷開處形成弧形變形區(qū)對沿空巷道產(chǎn)生支承壓力。因此，通過在相鄰工作面順槽采取切頂卸壓措施，沿空巷道所處區(qū)域所受頂板應(yīng)力明顯減少，極大降低巷道的支護(hù)難度，杜絕出現(xiàn)前掘后修的現(xiàn)象。

3 切頂卸壓技術(shù)參數(shù)

3.1 切頂高度

針對窄煤柱沿空掘巷，其切頂高度計算公式為：

式中：Hm為切頂高度，m；hi為頂板分層厚度，1 m；M為采高，3 m；Kp為垮落矸石碎脹系數(shù)，取1.2。

將以上數(shù)值代入公式得出：Hm=15 m。結(jié)合關(guān)鍵層理論及基本頂厚度，切頂高度選取為20 m。

3.2 切頂角度

采用仿真軟件3DEC 模擬切頂角度對頂板破斷的位置及切頂區(qū)域頂板應(yīng)力狀況的影響，確定最合理的切頂角度，實現(xiàn)基本頂順利切落、減少頂板支撐應(yīng)力的目的。結(jié)合其他礦井現(xiàn)場施工經(jīng)驗，采用工程類比法，分別對比切頂角度為0°、±5°、±10°、15°時對頂板應(yīng)力的影響。

頂板在不同切頂角度下的垂直應(yīng)力曲線如圖1。6個切頂角度對應(yīng)的頂板應(yīng)力曲線均出現(xiàn)突然下降，證明實施切頂卸壓技術(shù)使采空區(qū)側(cè)頂板順利切落并切斷其與基本頂之間的層間聯(lián)系，同時較以往自然垮落頂板減少懸臂梁長度，頂板形成彎曲下沉且受垮落巖石的支撐。

對比圖1 中6 個切頂角度的垂直應(yīng)力曲線，垂直應(yīng)力突然下降的位置即為預(yù)裂面的位置。當(dāng)切頂角度分別為0°、-5°、-10°及15°時，垂直應(yīng)力突然下降的位置位于小煤柱左側(cè)，靠近2502回風(fēng)巷。受小煤柱承載影響，未切斷頂板巖層之間的層間聯(lián)系，不利于采空區(qū)側(cè)頂板的切落，頂板垂直應(yīng)力偏高。當(dāng)切頂角度分別為5°及10°時，二者應(yīng)力曲線變化相似，但10°時頂板垂直應(yīng)力為零，證明該角度更利于頂板切落，失去與基本頂之間層間聯(lián)系；當(dāng)切頂角度增大至15°時，垂直應(yīng)力明顯較高且起伏變化大，證明隨著角度的增大，小煤柱上方形成的懸臂梁增長，導(dǎo)致小煤柱承載一定的應(yīng)力。最終確定切頂角度為10°，既保證采空區(qū)側(cè)頂板巖層順利切落，又最大限度地減小了頂板垂直應(yīng)力。

圖1 頂板在不同切頂角度下的垂直應(yīng)力曲線

3.3 預(yù)裂爆破參數(shù)

（1）炮孔間距。根據(jù)工程類比法及深孔預(yù)裂爆破現(xiàn)場試驗，確定沿巷道軸向炮眼間距為2 m 時頂板易實現(xiàn)連續(xù)垮落。

圖2 爆破鉆孔布置示意圖

（2）爆破時機(jī)選擇。由于爆破作業(yè)在2502 風(fēng)巷進(jìn)行，且超前于2502 工作面回采，所以必須合理安排爆破時機(jī)，既達(dá)到切頂效果，又實現(xiàn)工作面正常回采。結(jié)合工作面初次及周期來壓步距，安排在2502 風(fēng)巷超前工作面40 m 進(jìn)行爆破作業(yè)，保證工作面推過后，在周期來壓的作用下，采空區(qū)頂板能夠沿預(yù)裂面順利切落。

3.4 超前加固

采用“錨索+托梁”對2502 風(fēng)巷進(jìn)行超前加固。頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面圖如圖3。

圖3 頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面圖（mm）

（1）錨索規(guī)格。在頂板靠煤柱側(cè)500 mm 處沿巷道軸向施工一排補(bǔ)強(qiáng)錨索，間距為1500 mm。錨索采用Ф22 mm×9300 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，抗拉強(qiáng)度1860 MPa，設(shè)計錨固力35 t。托盤采用16 mm厚高強(qiáng)度鋼板加工而成，規(guī)格300 mm×300 mm。

（2）托梁規(guī)格。托梁采用礦用12 號工字鋼加工，長度3200 mm，每根托梁上打設(shè)3 個Ф25 mm孔，孔間距為1.5 m，配合錨索對頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，提高護(hù)表強(qiáng)度。

4 切頂卸壓效果

（1）采用爆破切頂卸壓后，安排對頂板預(yù)裂位置施工鉆孔，之后使用鉆孔窺視儀驗證切頂卸壓效果。爆破切頂卸壓效果如圖4。由圖4 可知，孔壁兩側(cè)形成貫通裂縫，其余區(qū)域巖石完整性較好，達(dá)到定向預(yù)裂爆破的目的。

圖4 爆破切頂卸壓效果圖

（2）爆破預(yù)裂面位于2502 回風(fēng)巷頂板上方，采空區(qū)側(cè)頂板巖層順利切落，切頂高度達(dá)20 m，小煤柱所受頂板垂直應(yīng)力為零，切斷了其與基本頂之間層間聯(lián)系，達(dá)到了預(yù)期目的。

（3）超前工作面40 m 進(jìn)行爆破作業(yè)，隨工作面推過爆破區(qū)域，在周期來壓的作用下，采空區(qū)頂板沿預(yù)裂面順利切落，且實現(xiàn)連續(xù)垮落。

5 結(jié)論

漳村煤礦通過理論分析，確定切頂卸壓關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，合理安排爆破與工作面回采時間，對順槽采取超前加固措施，成功在2502 風(fēng)巷實施爆破切頂卸壓技術(shù)。

（1）通過切斷采空區(qū)側(cè)頂板與基本頂之間的層間聯(lián)系，使小煤柱沿空巷道周邊圍巖應(yīng)力重新分布，減小其承載的頂板應(yīng)力，改善圍巖應(yīng)力環(huán)境。

（2）極大降低巷道的支護(hù)難度，巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰凭黠@減小，杜絕前掘后修的現(xiàn)象。巷道每米擴(kuò)修費用4200 元，施工長度1400 m，共計節(jié)約維修費588 萬元。