110工法在陜北榆橫礦區(qū)的應(yīng)用

張海龍

（陜西中太能源投資有限公司）

1 工作面概況

朱家峁煤礦為低瓦斯礦井，1310 工作面揭露煤層為早二迭系延安組的3#煤層，以亮煤為主，次為暗煤，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，厚度較穩(wěn)定，一般含夾矸1 層，夾矸為褐灰色粉砂巖。煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育，黃鐵礦薄膜充填。煤層傾角0°～0.6°，煤層平均厚度1.8 m，埋深相對(duì)較淺，屬于近水平淺埋煤層。1310 工作面無(wú)煤柱自成巷留巷位置如圖1所示，本次切頂留巷設(shè)計(jì)為3#煤層1310 工作面回風(fēng)巷，供下一工作面1308工作面使用，具體留巷距離根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)材料準(zhǔn)備和生產(chǎn)情況確定。

2 切頂預(yù)裂方案設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)原理

采用恒阻大變形錨索加強(qiáng)工作面推進(jìn)前的巷道支護(hù)，將雙向聚能拉伸爆破技術(shù)應(yīng)用于工作面一側(cè)巷道附近實(shí)施頂板預(yù)裂爆破，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)弱面，改變頂板的應(yīng)力傳遞路徑使頂板快速垮落［8］。雙向聚能拉伸爆破技術(shù)，恒阻大變形錨索支護(hù)技術(shù)在地下巷道工程中得到了廣泛應(yīng)用，能有效維護(hù)頂板巖層完整及巷道采場(chǎng)一側(cè)頂板內(nèi)移動(dòng)巖層組別的變化，增加了垮落帶巖層厚度的同時(shí)，通過(guò)對(duì)上覆巖體應(yīng)力分布和破壞規(guī)律研究，確定采空區(qū)上方頂板來(lái)壓強(qiáng)度及范圍。

工作面開始推進(jìn)之后，切縫側(cè)附近采場(chǎng)上部“垮落帶的巖層”受采場(chǎng)周期性壓力影響垮落，為此通過(guò)巷旁支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，確保垮落矸石能夠自動(dòng)組成巷幫。采空區(qū)矸石由于本身具有碎脹特性，能填充采空區(qū)，迅速形成基本頂?shù)谝灰苿?dòng)巖梁支撐結(jié)構(gòu)；由于基本頂具有一定的彈性變形能力，可以將基本頂視為一個(gè)整體來(lái)考慮其受拉破壞情況。在基本頂出現(xiàn)破裂或者沉降的情況下，頂板斷裂部位一般位于切縫線一側(cè)。因此，將基本頂巖塊作為切縫單元來(lái)模擬巷道圍巖變形破壞過(guò)程中所產(chǎn)生的應(yīng)力變化情況，基本頂巖塊將隨采空區(qū)之上巖塊移動(dòng)。

切頂完成后，切頂短臂梁結(jié)構(gòu)、采空區(qū)矸石垮落堆積及強(qiáng)化支護(hù)措施三者有效結(jié)合，改善沿空留巷穩(wěn)定性；采空區(qū)頂板垮落、碎脹達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，可拆除巷旁和巷內(nèi)支護(hù)材料，根據(jù)防漏風(fēng)防滅火要求采取噴漿封閉措施。切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開采技術(shù)原理如圖2所示。

2.2 切縫設(shè)計(jì)

根據(jù)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理并結(jié)合理論分析及榆橫礦區(qū)工程地質(zhì)條件，確定榆橫礦區(qū)厚層砂巖頂板無(wú)煤柱自成巷平衡開采關(guān)鍵切縫參數(shù)，包括切頂高度、切縫角度等。

2.2.1 切頂高度

切頂高度就是在煤層頂板上預(yù)裂爆破產(chǎn)生定向切割的裂隙，由頂板向切縫方向發(fā)展的垂直最大距離。在卸壓無(wú)煤柱自成巷工藝中，定向爆破對(duì)順槽頂板的切割作用處于核心地位，且足夠高度的切縫能夠使矸石順利切落，采空區(qū)上方老頂巖梁移動(dòng)。

新增鉆孔水位與庫(kù)水位存在較強(qiáng)相關(guān)性。D2、D1相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明該處巖體通透性良好，巖體內(nèi)水壓力可迅速降低。有利于巖體穩(wěn)定，通過(guò)2016年外部變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較，右岸山體特征形變量小于左岸，與左岸鉆孔相關(guān)系數(shù)正值形成鮮明對(duì)比。

工作面開始推進(jìn)后，直接頂失去沿空留巷的側(cè)向邊界約束，發(fā)生垮落，且基本頂出現(xiàn)遠(yuǎn)距離懸頂，使之支護(hù)難度加大。采用聚能預(yù)裂爆破技術(shù)，可縮短基本頂側(cè)向懸臂長(zhǎng)度，使得巖層斷裂線總體上遷移到采空區(qū)一側(cè)，從而有效地減緩了留巷圍巖受力。

切頂預(yù)裂可以保證采空區(qū)的頂板順利垮落，考慮到巖體的碎脹性，切頂高度的計(jì)算公式：

式中，HF為切頂高度，m；K為碎脹系數(shù)；ΔH1和ΔH2分別表示頂板和底板的變形量，m；M為可采煤層高度，m。

依據(jù)頂板巖性，本次設(shè)計(jì)K取值為1.38，當(dāng)不計(jì)底鼓和頂板下沉，采高達(dá)到最大值M后，結(jié)合頂板巖性和以往施工經(jīng)驗(yàn)將預(yù)裂切縫孔的深度設(shè)計(jì)成HF=7.0 m。

2.2.2 切縫角度

切頂角度指預(yù)裂爆破生成的預(yù)裂面與巷道采空側(cè)頂板垂直方向的夾角，該預(yù)裂面保證了回采結(jié)束時(shí)頂板的平穩(wěn)垮落。當(dāng)爆破切縫達(dá)到基本頂巖層時(shí)，預(yù)裂面外側(cè)巖塊仍會(huì)向側(cè)向頂板施加載荷，導(dǎo)致采空側(cè)巷壁空隙過(guò)大，卸壓不充分，嚴(yán)重影響沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性和成巷質(zhì)量。

基本頂在隨工作面推進(jìn)而發(fā)生破斷時(shí)，巖塊間互相咬合形成穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu)并能有效地將受力傳遞給側(cè)向煤巖體。砌體梁結(jié)構(gòu)對(duì)沿空留巷圍巖穩(wěn)定性將造成一定的影響。因此，在進(jìn)行預(yù)裂爆破時(shí)，需要充分考慮基本頂?shù)那闆r，以避免產(chǎn)生不良影響；在采煤過(guò)程中，需要根據(jù)基本頂?shù)奶攸c(diǎn)采取相應(yīng)的支護(hù)措施，以確保圍巖的穩(wěn)定性［9］。

如圖3 所示，巖塊A 和巖塊B 為圍巖結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵塊，鍵塊B 沿切縫面下滑失穩(wěn)后，基本頂巖層才得以順利垮落卸壓，切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷技術(shù)能夠有效地降低采空區(qū)頂板的應(yīng)力，保證巷道的穩(wěn)定性和安全性。

根據(jù)砌體梁理論及圍巖結(jié)構(gòu)S-R 穩(wěn)定原理可知巖塊出現(xiàn)滑落失穩(wěn)所需條件：

式中，θ表示切頂角度，（°）；φ表示巖塊間摩擦角，（°）；L和h分別表示巖塊的長(zhǎng)度和厚度，m；T和R分別表示巖塊所受水平推力和剪切力，N；q表示巖塊豎直方向上的均布荷載，N/m。

由式（6）可知，三鉸拱巖塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受基本頂厚度、巖塊長(zhǎng)度、切頂角度及巖層摩擦角等因素影響。在切頂角度與巖層摩擦角相等的情況下，三鉸拱的巖塊結(jié)構(gòu)失去了平衡。基本頂巖塊沿著切縫面被切割下來(lái)構(gòu)成巷幫，切斷了側(cè)向塊體對(duì)留巷頂板的作用力傳遞途徑，實(shí)現(xiàn)了頂板的完全卸壓。但頂板側(cè)向懸臂長(zhǎng)度將隨切頂角度增加而增大，對(duì)沿空留巷維護(hù)不利，當(dāng)基本頂巖塊能夠順利垮落時(shí)，切頂角度要盡量小。

考慮到煤礦井下的環(huán)境濕度較高，根據(jù)相關(guān)研究，基本頂巖塊間的摩擦角取27°。將φ=27°，L=11 m，ΔS=1.37 m，h=12.4 m 代入式（6）可得θ≥15°，本文取15°。

2.2.3 定向預(yù)裂切縫效果檢測(cè)

頂板定向預(yù)裂切縫是切頂卸壓沿空自動(dòng)成巷的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，因此，必須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)切縫效果進(jìn)行檢測(cè)，以保證切頂卸壓和沿空自動(dòng)成巷的成功。具體方法與要求如下：①對(duì)鉆孔編號(hào)后實(shí)施預(yù)裂爆破，并用鉆孔自動(dòng)成像儀檢測(cè)鉆孔成孔效果及裂隙發(fā)育程度，要求角度誤差率K1≤10%，鉆孔平直率K2≤10%；②利用鉆孔窺視像儀對(duì)鉆孔內(nèi)部探測(cè)成像，從而檢測(cè)定向預(yù)裂縫孔內(nèi)的擴(kuò)展情況，要求孔內(nèi)裂縫率K4≥90%；③裂隙探測(cè)儀深部圍巖探測(cè)，檢測(cè)孔間裂縫聯(lián)通和擴(kuò)展情況，要求孔間裂縫率K5≥90%；④評(píng)估閉合臨界距離，以檢測(cè)從架后到完全垮落處的距離，要求不大于20 m。

成孔后預(yù)裂爆破前進(jìn)行鉆孔質(zhì)量檢測(cè)，定向預(yù)裂切縫后、回采前進(jìn)行切縫效果檢測(cè)，不合格鉆孔必須及時(shí)在相鄰位置進(jìn)行預(yù)裂切縫鉆孔和爆破施工，垮落成巷后對(duì)成巷效果和支架受力進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.3 恒阻大變形錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)錨索所能承受的變形量有限，無(wú)法承受頂卸壓無(wú)煤柱開采所造成的3次圍巖變形，包括預(yù)裂爆破應(yīng)力波的作用、當(dāng)前工作面采動(dòng)影響的作用、下一個(gè)工作面回采過(guò)程中超前應(yīng)力對(duì)其產(chǎn)生的作用。通過(guò)對(duì)恒阻大變形錨索支護(hù)機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)其可承受變形量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)錨索，可以很好地應(yīng)用于采用110工法的礦井。

切縫側(cè)為1310 工作面圍巖變形關(guān)鍵區(qū)域，將首先被爆破過(guò)程中沖擊能量摧毀，為此，切縫附近一側(cè)設(shè)置了恒阻大變形錨索，使其與頂板走向垂直。在1310 工作面回風(fēng)巷加固布置2 列恒阻錨索、1 列普通錨索。第一排恒阻錨索距切縫鉆孔400 mm（距回采側(cè)煤幫500 mm），排距1 000 mm，恒阻錨索之間用W鋼帶連接（平行于巷道走向），錨索長(zhǎng)度為9 300 mm；第二排恒阻錨索位于巷道中線上，排距為2 000 mm，錨索長(zhǎng)9 300 mm。恒阻錨索的直徑為21.8 mm，恒阻值取330±20 KN，預(yù)緊力不得低于280 KN（圖4）。

2.4 臨時(shí)支護(hù)及擋矸支護(hù)技術(shù)

在對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破后，采場(chǎng)頂板的冒落高度會(huì)相比傳統(tǒng)采煤工藝的較大，尤其在朱家峁煤礦厚層砂巖頂板的條件下，其垮落高度將會(huì)更大。在采場(chǎng)周期性壓力未來(lái)之前，其老頂會(huì)出現(xiàn)一定距離的懸頂，在周期來(lái)壓過(guò)后，上覆巖層會(huì)斷裂壓實(shí)已垮落矸石，此時(shí)，已垮落的矸石隨著老頂?shù)膩?lái)壓，在沒(méi)有限制的情況下會(huì)涌入巷道，影響留巷效果，當(dāng)頂板垮落重新壓實(shí)后，可回撤巷內(nèi)的部分支護(hù)措施，節(jié)約支護(hù)成本。

圖5為巷道不同位置臨時(shí)支護(hù)情況，超前支護(hù)區(qū)使用“一梁四柱”支護(hù)，架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)使用單體支柱+工字鋼+U 型鋼（U29）臨時(shí)支護(hù)，單體棚排距離為1.0 m。為了防止擋矸結(jié)構(gòu)側(cè)鼓，靠近碎石幫的單體支柱需要緊挨U 型鋼支護(hù)。成巷穩(wěn)定區(qū)的頂板已經(jīng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，因此可以逐步撤除臨時(shí)支護(hù)單體和∏型梁，回撤大部分支柱，只保留部分單體支柱和可伸縮U型鋼進(jìn)行擋矸支護(hù)。

3 實(shí)施效果

朱家峁煤礦1310 工作面實(shí)施110 工法后，可多回收煤柱資源約8.03 萬(wàn)t（煤柱長(zhǎng)1 756 m）；可節(jié)約掘進(jìn)一條回采巷道的成本（按巷道長(zhǎng)度為1 800 m），以1310工作面6 400 元/m 綜合掘巷成本計(jì)算，可節(jié)約掘巷成本1 152萬(wàn)元。

實(shí)施110 工法后，朱家峁煤炭資源的浪費(fèi)得到了減少，回采工作面的可采儲(chǔ)量也增加了，煤炭的采出率提高了10%。并且通過(guò)切斷來(lái)壓時(shí)頂板的應(yīng)力傳遞，降低對(duì)巷道圍巖的影響，有效減少了巷道變形，保障了礦井的安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

在對(duì)榆橫礦區(qū)典型礦井工程地質(zhì)條件進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，以該礦區(qū)朱家峁煤礦1310 工作面厚層砂巖頂板為背景，進(jìn)行110工法實(shí)踐探索應(yīng)用。通過(guò)采用雙向聚能拉伸定向爆破技術(shù)，能夠定向預(yù)裂頂板，使其得以有序垮落，從而確保了礦井的安全高效開采。應(yīng)用恒阻大變形錨索支護(hù)，提高了地下工程圍巖的穩(wěn)定程度，消除了冒頂、底鼓等常見(jiàn)圍巖變形隱患。通過(guò)在朱家峁煤礦的成功實(shí)踐應(yīng)用，證明了在陜北榆橫礦區(qū)推廣110 工法可以創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。