三交河礦“110 工法”無煤柱開采方案設計研究

常月章

（山西汾河焦煤股份有限公司，山西 臨汾 041600）

1 概況

山西焦煤下屬霍州煤電集團汾河焦煤股份有限公司三交河煤礦10-207 工作面地表相對位于劉家山村（已搬遷）東側，井下位于+850 m 水平南翼，位置詳見圖1。工作面埋深276～398 m，走向回采長度為1 079.7 m，傾向長度為223.1 m，10#煤厚1.4～2 m，平均煤厚1.8 m。10-2072 巷斷面設計為矩形，永久支護采用錨桿、鋼筋梯子梁、錨索、金屬網聯合支護。為保障“110 工法”在三交河礦首次應用的效果和安全，需論證該工藝的經濟合理性，進行方案設計優化研究。

圖1 切頂留巷10-207 試驗工作面平面位置圖（mm）

2 切頂留巷設計方案

2.1 定向預裂爆破設計

采用聚能裝置定向爆破之后，裂紋會順著切縫的方向在頂板巖層中擴展，促使頂板順利垮落。利用切頂后巖石垮落碎脹的特點，使切頂范圍內巖層垮落后充滿整個采空區，對上位巖層起有效支撐作用。其切頂高度為[1]：

其中：M為煤厚；H1為頂板下沉量；H2為底鼓量；k為碎脹系數。根據掘進資料顯示，10-207工作面頂板主要為砂巖、灰巖，多為堅硬巖層，故k取1.30，工作面采高H煤為2.0 m 時，計算可得H縫=6.67 m。結合順槽頂板巖性分布情況，切縫孔深設計為7 m（根據現場留巷順槽每50 m 鉆孔探測頂板巖性后確定具體切縫高度）。動載模擬結果（圖2）顯示10°～20°的鉆孔角度有利于巷道穩定，較小的切縫角度可以減少頂板懸臂梁長度，切縫角度最終設計為15°。

圖2 動載作用下兩幫動力響應情況

為達到較好的切縫效果，兩個鉆孔圍巖損傷深度不應小于鉆孔間距，預裂孔間距可采用下式進行判斷[2]：

式中：d為爆破鉆孔中心之間水平距離，mm；rd為孔半徑，mm；λ為側壓系數，λ=μ/（1-μ）=0.43；P為鉆孔圍巖內初始地應力，MPa；Pb為預裂爆破時沖擊波最大壓力值，MPa；D0為巖層初始損傷參數；σt為抗拉強度，MPa；δ為應力波衰減系數，δ=2-λ。頂板定向預裂鉆孔直徑為48 mm，即rd=24 mm，μ=0.3，P=19 MPa，Pb=2200 MPa，D0=0.6，σt=1.2 MPa，代入公式（2）計算得d≤624 mm。10-207 工作面頂板為復合頂板，根據上式計算結果，設計爆破鉆孔間距為500 mm。鉆孔布置詳情如圖3。

圖3 10-2072 巷聚能爆破切頂斷面示意圖（mm）

特制聚能管外徑42 mm、內徑36.5 mm。受深孔高應力及鉆孔角度偏差影響，孔底難劈裂，因而炮孔底部裝藥量大，裝藥量約為3～5 卷，卷炮孔口處裝藥量小，裝藥量約為1～2 卷。各方案裝藥結構見表1。裝藥結構具體如下（采用礦用乳化炸藥，Φ35 mm，長度為300 mm）：每孔4 根聚能管，首先采用2+2+2+1 的裝藥方式。

表1 順槽爆破試驗方案

2.2 弱化爆破設計

10#煤層基本頂為強度較高的K2 灰巖，為更優化便于頂板垮落，初步設計在留巷側每隔5 m 施工20 m 長（垂向距離為17.32 m）的炮孔，具體孔深根據頂板K2 灰巖深度確定，傾向于工作面與垂線夾角25°～30°，進行深孔爆破，如圖4 所示。根據已有的工程實踐經驗[3-4]，設計炮孔直徑50 mm，封孔長度3 m，間距5 m。炮孔位于距離巷道頂板下方工作面側200 mm。

圖4 工作面綜合柱狀圖及弱化鉆孔布置示意圖

2.3 恒阻錨索補強加固設計

為提高切頂期間頂板的穩定性，提前采用恒阻錨索對頂板進行加固，靠近切縫側錨索與水平方向垂直布設，巷道頂板側錨索垂直于巷道頂板布設，設計錨索8.3 m。10-2072 巷錨索共布設三列，第一列為恒阻錨索，距回采幫700 mm，排距1200 mm；第二列為恒阻錨索，距第一列恒阻錨索1200 mm，排距為2400 mm；第三列恒阻錨索距第二列恒阻錨索1200 mm，排距2400 mm。斷面圖如圖5（a），平面圖如圖5（b）。恒阻錨索沿切縫側一列采用W鋼帶配合托盤連接，第二、三列恒阻錨索采用橫向W 鋼帶配合托盤連接。

圖5 10-2072 巷錨索補強支護設計圖（mm）

2.4 臨時支護設計

工作面推進過程中，不同位置巷道受采動影響不同。工作面超前段會受到超前壓力的影響，超前支護長度不小于30 m。工作面回采后，巷道實體煤側失去支護，采空區頂板冒落，因此滯后回采工作面一定距離范圍內不僅需要進行頂板的支護也需要擋矸支護。巷道滯后工作面距離較遠時，圍巖基本穩定，此時可進行臨時支護措施的回撤，保留擋矸支護即可。據此設計10-2072 巷留巷臨時支護方案：1）超前支護區（回采工作面前方0～30 m）：采用原有的單體液壓支柱架棚支護方式。2）架后臨時支護區（架后0～200 m）：采用門式支架，排距1200 mm。3）成巷穩定區（架后200 m 之后）：此段巷道，切落成巷幫在頂板不斷下沉過程中逐漸壓實，可將頂板臨時支護設備撤掉。

3 施工順序

“110 工法”留巷總體施工過程如圖6。第一步：恒阻錨索加強支護，并沿巷道走向增加槽鋼。第二步：頂板預裂爆破。第三步：架后擋矸支護。工作面回采至留巷一側時，及時在留巷端頭支架后安設單體柱，在靠近采空區側鋪設風筒布、鋼筋網、金屬網、安設門式支架和可縮性U 型鋼，間距500 mm。第四步：待沿空側巷道穩定后，撤除巷幫及巷內門式支架架柱，并對巷幫局部垮落片幫區域進行簡單維修處理。

圖6 “110 工法”留巷總體施工過程

4 應用效果分析

4.1 支護效果

在10-2072 巷留巷階段設置綜合礦壓監測站，定期監測沿空巷道的礦壓顯現特征。分析可知，在10-207 回采工作面后方20～60 m 范圍，采空區頂板垮落快速增加，頂板活動較劇烈，沿空巷道圍巖變形量迅速增大；滯后回采工作面60～90 m 范圍，采空區頂板基本垮落完畢，巷道表面變形速度逐漸減小。留巷圍巖穩定后，頂底板移近量在200～300 mm，兩幫移近量在250～400 mm，可滿足服務于下區段回采工作面的斷面需求，留巷支護效果良好。

4.2 經濟效益

10-2072巷沿空留巷綜合成本約為3 832.4元/m，參照掘進巷道成本3500 元/m 計算，留巷直接增加投入為：3 832.4-3500=332.4 元/m。10-2072 巷留巷864.4 m，工作面煤層均厚1.8 m，密度1.45 t/m3，相較原設計20 m 的護巷煤柱，煤柱資源45 121.7 t左右，回收率按75%計算，則多采出煤炭資源33 841.3 t。按噸煤利潤200 元計，開采煤柱增加收益677 萬元，減去每米留巷增加的成本，沿空留巷每米效益為7 497.6 元。沿空留巷經濟效益明顯。

5 結論

以“110 工法”在三交河礦10-207 工作面的應用為背景，分析確定合理切頂高度為7 m、切縫角度為15°，確定爆破孔間距500 mm，設計對比了不同裝藥參數的爆破試驗方案，確定最佳的裝藥量與封泥長度；根據巷道頂板巖層賦存情況，設計頂板爆破弱化孔參數，取得較好的安全、經濟效益。