古城煤礦N1303 工作面切頂卸壓沿空留巷技術應用

范寧瀟

（山西潞安礦業（集團）有限責任公司古城煤礦，山西 長治 046000）

1 工程概況

古城煤礦N1303 工作面開采3#煤層，均厚6.24 m，煤層內含有一層0.2 m 泥巖夾矸。煤層直接頂和基本頂分別為砂質泥巖和中粒砂巖，直接頂巖層均厚為4.03 m，基本頂巖層均厚為5.86 m，基本頂巖層致密堅硬。布置3 條回采巷道，巷道均沿煤層底板掘進。N1303 工作面回風順槽為沿空留巷巷道，巷道掘進斷面為矩形，凈寬×凈高=5200 mm×3600 mm，掘進期間支護采用錨網索支護，具體支護參數如圖1。基于頂板巖層為堅硬頂板，為保障巷道圍巖穩定，留巷前采用切頂卸壓技術。

圖1 N1303 回風順槽支護斷面圖（mm）

2 超前切頂卸壓技術

針對堅硬頂板沿空留巷作業，若不采取有效的措施，留巷期間會存在采空區側頂板大面積懸頂，采動影響下大面積懸頂的頂板巖層會不斷回轉下沉，圍巖在頂板力的作用下會不斷變形，圍巖穩定性較差[1-3]。根據N1303 回風順槽的賦存特征，確定巷道采用切頂卸壓技術對堅硬頂板進行預處理。

（1）根據工作面頂板巖性特征，綜合炸藥性能參數等因素，確定在N1303 回風順槽走向肩角布一排平行孔，炮孔各項參數如下：

① 炮孔直徑及傾角：爆破鉆孔直徑為50 mm，傾角為與頂板75°，偏向采空區一側。

② 炮孔長度計算：為使綜放工作面頂板垮落矸石充滿采空區，切頂高度Mz可根據公式（1）計算：

式中：Mz為切頂高度；C為殘煤厚度；T為頂煤厚度，取2.7 m；KA為冒落巖層的碎脹系數，取1.35；H為割煤高度，取3.5 m；SA為老頂下位巖梁觸矸處的沉降值，取為0.2H；Km為頂煤垮落后的碎脹系數，取1.2；η為放出率，取0.85。將上述數據代入式（1）中計算得出切頂高度Mz=14 m。考慮一定的富余系數，最終確定炮孔長度L=15 m。

③ 炮孔間距計算：基于爆破方面爆生氣體準靜壓作用理論、應力波疊加作用理論[4-5]，結合N1303回風順槽的頂板巖性，綜合確定炮孔間距為1.2 m。

具體炮孔布置方式如圖2。

圖2 切頂卸壓炮孔布置方式示意圖（mm）

（2）切頂卸壓方案實施時采用孔底不耦合連續裝藥，裝藥長度9 m。單孔裝藥量計算公式：

式中：q為每米裝藥量，取值1.1 kg/m；l為裝藥長度，取值9 m。根據上述數據，計算得出單孔裝藥量為9.9 kg，裝藥藥卷數為55 卷。設計切頂卸壓爆破鉆孔裝藥長度和封孔長度分別為9 m和6 m，采用正向起爆，1 根導爆索綁扎在炸藥上，導爆索總長度為9.5 m，裝藥結構如圖3。

圖3 炮孔裝藥結構圖

（3）切頂卸壓總體施工過程。① 超前工作面50 m 以外，按設計參數進行預裂孔施工；② 超前工作面0～50 m，按設計位置布置巷內臨時加強支護；③ 超前工作面30～50 m，依次實施預裂爆破。

3 沿空留巷支護技術

3.1 留巷方案設計

（1）巷旁支護設計。N1303 回風順槽在考慮通風斷面滿足使用要求的前提下，充分考慮保障巷旁充填體穩定的原則，設計充填體寬度為1200 mm，留巷寬度為3800 mm，巷旁充填體采用C30 混凝土。為保障巷旁充填體的穩定，巷旁充填位置處采用高壓旋噴加固底板[6]，旋噴樁樁徑為800 mm，旋噴澆筑深度為3.0 m，樁身強度達到8 MPa。高壓旋噴樁施工時，樁體中心距離正幫800 mm，超前工作面150 m 以外進行樁體施工，高壓水泥漿漿液壓力宜為20～30 MPa。充填體內部布置對拉錨栓進行加固，錨栓規格為Φ22 mm×1350 mm，間排距為800 mm×750 mm，預緊扭矩為150 N·m，如圖4。

（2）待澆筑空間擋矸設計。待澆筑空間設計一般包括隔離支護（切擋矸支護）和巷旁充填步距設計兩部分。

木點柱擋矸方案：生產班割煤后，緊跟支架尾快速支設一排單體支柱，單體支柱的型號為DW38，排距為800 mm。在單體支柱的支撐及掩護下，在兩排單體支柱之間支設一排木點柱，木點柱為Ф200 mm×3600 mm 圓木，排距為600 mm。架前鋪設菱形金屬網，鋪設范圍不少于端尾側5 個支架，移架后金屬網落地、兜矸，與木點柱共同形成支擋結構。將采空區矸石與沿空留巷隔離，確保澆筑人員作業安全。在支設木點柱時，在柱帽內預埋雙股8#鐵絲，鐵絲長度不小于1.5 m，用以固定柔性模板翼緣。檢修班澆筑柔模混凝土墻體時將單體支柱撤回。“木點柱+金屬網”擋矸結構如圖4。

圖4 沿空留巷支護橫斷面（mm）

根據以往的經驗[7]，結合工作面回采工藝及現場情況，確定巷旁充填步距最大不超過6 m。

（3）超前工作面50 m 和滯后工作面100 m 范圍內采用“一梁四柱”加固。由于底煤較酥軟，為了提高單體支柱的整體支護效果，并減少鉆底量，便于回柱，要求滯后工作面臨時加強支護的單體支柱底部增加框架上底梁，底梁采用兩根2600 mm 的11#工字鋼對焊而成，在架設單體的位置處設置柱窩。

3.2 效果分析

N1303 工回風順槽沿空留巷期間，在滯后工作面20 m 的位置處設置巷道位移監測站。留巷期間每間隔2 d 進行一次圍巖變形觀測，持續觀測至工作面與測點的間距大于250 m，根據監測結果得出圍巖變形曲線如圖5。

分析圖5（a）可知，N1303 工作面沿空留巷作業時，頂板下沉量在滯后工作面80 m 后便逐漸趨于穩定，其頂板下沉速率已降低至1 mm/d。由于沿空留巷時底板長期泡水，導致底鼓速度較大，周期較長。當監測斷面滯后工作面200 m 后，頂底板變形速率開始出現一定程度的增大，但頂底板變形量的增大主要來源于底板鼓起變形。最終頂板下沉和頂底板移近量分別為101 mm 和357 mm。分析圖5（b）可知，留巷兩幫變形主要出現在滯后工作面17～120 m 范圍內，留巷滯后工作面120 m 后兩幫變形速率大幅降低，兩幫圍巖逐漸趨于穩定，最終兩幫變形量為252 mm，充填墻體側變形為96 mm。

圖5 沿空留巷期間圍巖變形曲線圖

4 結論

根據N1303 工作面的地質賦存及頂底板特征，設計巷道沿空留巷前采用切頂超前卸壓技術，切頂炮孔參數為Φ50 mm×15 000 mm，炮孔間距1.2 m，單孔裝藥量為9.9 kg，爆破作業超前工作面50 m 以外進行，留巷充填體采用C30 混凝土，寬度為1.2 m，并在充填體底部設置旋噴樁。根據留巷期間的礦壓監測數據得出，回風順槽在現有支護方案下，留巷期間圍巖處于穩定狀態。