切頂卸壓沿空留巷技術(shù)研究及應(yīng)用

王維維，李鳳義，蘭永偉

(黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱150022)

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)研究及應(yīng)用

王維維，李鳳義，蘭永偉

(黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱150022)

針對留設(shè)區(qū)段煤柱護巷引起的資源浪費、煤柱集中應(yīng)力、采空區(qū)發(fā)火等問題，結(jié)合東榮三礦東八里部-500水平8#煤層地質(zhì)情況，進行切頂卸壓沿空留巷無煤柱護巷技術(shù)研究。常規(guī)沿空留巷護巷時，護巷體(矸石墻、充填、木剁)常受采空區(qū)頂板的懸臂壓力影響，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重甚至頂板破壞。該研究在深孔爆破技術(shù)基礎(chǔ)上，采用理論研究、切頂參數(shù)設(shè)計等方法，在工作面超前進行沿空巷道頂板的預(yù)先深孔爆破，實現(xiàn)人工切頂，降低了護巷體所承受的頂板壓力，形成切頂卸壓沿空留巷技術(shù)。該技術(shù)解決了東榮三礦生產(chǎn)接續(xù)緊張、沿空巷道頂板控制難題，提高了礦井資源回收率，對沿空留巷技術(shù)應(yīng)用有著參考借鑒意義。

沿空留巷;切頂卸壓;深孔爆破;巷旁支護

收稿日期: 2013-12-05
第一作者簡介:王維維( 1981-)，男，黑龍江省阿城人，講師，碩士，研究方向:礦山壓力控制、充填開采技術(shù)，E-mail: wwsls@126．com。

在礦井開采深度逐年增加、原巖應(yīng)力升高、采空區(qū)自燃發(fā)火日趨嚴(yán)重的形勢下，留設(shè)區(qū)段煤柱護巷已成為礦井安全生產(chǎn)的重要隱患之一。因此，無煤柱沿空留巷技術(shù)[1]作為消除煤柱引起的不利影響、提高礦井資源回收率、實現(xiàn)多種通風(fēng)方式等有利手段，已被研究者們所關(guān)注，成為礦井安全、高效開采的主要研究課題之一。筆者對切頂卸壓沿空留巷技術(shù)進行研究，并在實際工程中應(yīng)用。

1 工程概況

東榮三礦東八里部-500水平8#煤層見圖1。該煤層平均厚度3 m，平均傾角12°，與下部10#煤層平均間距30 m。8#煤層直接頂為1. 5 m厚炭質(zhì)頁巖，基本頂為白色粉砂巖，厚度20 m。右翼采區(qū)，階段內(nèi)回采順序為上行式，即先開采低水平工作面，后開采高水平工作面。原設(shè)計留設(shè)20 m區(qū)段煤柱護巷，在右一、右二工作面回采期間，回采巷道變形嚴(yán)重，因此，在回采工作面上順槽進行沿空留巷，作為上一個工作面的下順槽。

圖1 8#煤層柱狀圖Fig．1 8#coal column

2切頂卸壓沿空留巷技術(shù)

切頂卸壓沿空留巷是基于頂板結(jié)構(gòu)巖層控制的沿空留巷新技術(shù)。它利用深孔松動爆破，改變頂板巖層力學(xué)結(jié)構(gòu)，從而降低沿空巷道頂板所受上覆巖層產(chǎn)生的重力。切頂卸壓沿空留巷，由工作面的不斷推進、切頂爆破、巷道支護而逐步實現(xiàn)和完成。切頂卸壓沿空留巷技術(shù)主要包括三項內(nèi)容:第一，對沿空巷道頂板進行加強支護，分為超前工作面的基本支護和切頂爆破后的加固支護;第二，工作面開采前，對沿空留巷頂板進行深孔欲裂爆破定向切縫，切斷預(yù)留巷道頂板與采空區(qū)頂板在爆破切縫深度內(nèi)的聯(lián)系;第三，當(dāng)工作面回采推進后，預(yù)裂爆破后的巷道進入采空區(qū)。老頂來壓時，頂板沿切縫產(chǎn)生斷裂，采空區(qū)側(cè)頂板冒落，預(yù)留巷道頂板在支護下保持穩(wěn)定，作為上一個工作面的下順槽使用。

2. 1 切頂卸壓

2. 1. 1 切頂原理

切頂卸壓技術(shù)[2]是利用雙向聚能爆破藥管對預(yù)留巷道的頂板進行定向預(yù)裂爆破[3]，以切斷預(yù)留巷道頂板與采空區(qū)頂板在爆破切縫深度內(nèi)的聯(lián)系，使預(yù)留巷道頂板的懸臂梁明顯縮短，降低頂板在預(yù)留巷道頂板產(chǎn)生的扭矩，減少預(yù)留巷道受采空區(qū)來壓時產(chǎn)生的不利影響。雙向聚能爆破藥管是根據(jù)長鉆孔爆破施工需要，解決深孔爆破裝藥難題而專門設(shè)計研發(fā)的爆破裝藥裝置[4]，即聚能管。聚能管由具有一定強度、阻燃性，成本低廉的管材經(jīng)過特制加工而成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙向聚能藥管示意Fig．2 Bidirectional energy cavity tube diagram

利用雙向聚能裝藥爆破裝置，可產(chǎn)生爆破能量沿聚能槽方向瞬間集中，實現(xiàn)沿聚能槽布置方向的頂板切縫，減少對其他方向頂板的破壞，保證切縫爆破下的頂板完整性。

2. 1. 2 爆破參數(shù)

切頂卸壓爆破參數(shù)主要包括炮眼深度、炮眼直徑、炮眼間距、聚能藥管直徑、裝藥量、封孔長度等。結(jié)合礦井工作面實際情況，切頂爆破相關(guān)參數(shù)選擇如下:

( 1)爆破孔直徑的選擇主要根據(jù)不同巖性的裝藥不耦合系數(shù)而定，因工作面基本頂為粉砂巖，爆破孔徑可選擇40 mm，但由于礦井實際鉆具鉆孔直徑為32、42、75 mm，所以選擇42 mm爆破孔徑，計算可得爆破管的合理直徑為40 mm，每根聚能管長度為1. 2 m。

( 2)常用礦用乳化炸藥直徑為25、38、50 mm，根據(jù)選擇的爆破裝藥管直徑，考慮到裝藥及爆破裝藥不耦合性，實際選擇38 mm乳化炸藥，藥卷長度50 mm，每節(jié)裝藥管裝2卷炸藥，以避免發(fā)生殉爆。

( 3)為了安全采煤，炸藥引爆采用導(dǎo)爆索，起爆導(dǎo)爆索采用瞬發(fā)電雷管，可保證不發(fā)生殉爆事故。

( 4)常規(guī)爆破封孔方式為黃泥封孔，因深孔爆破裝藥量較大，為避免出現(xiàn)打筒造成能量損失，封孔選擇水泥-水玻璃雙液漿快速封孔技術(shù)。

( 5)頂板鉆孔間距及深度是切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。通過切頂爆破來實現(xiàn)留巷頂板與采空區(qū)頂板的分離，最大限度地減小采空區(qū)老頂來壓時產(chǎn)生的礦壓影響，以及切頂深度內(nèi)的頂板自然垮落后完全充填采空區(qū)。根據(jù)8#煤層頂板巖層性質(zhì)，碎漲系數(shù)約為1．6，鉆孔間距設(shè)計按1或2 m，鉆孔長度設(shè)計按4或6 m，即共四種方案，通過現(xiàn)場切縫效果進行方案對比選擇。

2. 2 支護方式

沿空留巷技術(shù)所保留的巷道要經(jīng)歷兩個工作面回采的采動影響[5-8]，礦壓顯現(xiàn)十分劇烈，根據(jù)東榮三礦8#煤層其他工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析，礦壓顯現(xiàn)十分明顯。因此，在原有巷道支護基礎(chǔ)上，繼續(xù)進行加強支護及隨工作面支撐壓力而移動的臨時加強支護，以保證沿空巷道頂板的穩(wěn)定。

2. 2. 1 巷內(nèi)加強支護

巷道原有支護為錨桿+鋼帶聯(lián)合支護，考慮到切頂爆破對頂板及上幫煤體的震動破壞作用，需在爆破施工前后對頂板及上幫進行加強支護，具體支護方案為:爆破前，在頂板及上幫施工注漿錨桿，頂板施工6 m錨索，使其懸掉在頂板深部穩(wěn)定巖層中;爆破施工后，對注漿錨桿進行注漿，在采空區(qū)側(cè)沿切頂線打設(shè)液壓單體支柱加強支護，在采空區(qū)側(cè)掛金屬網(wǎng)擋矸，施工參數(shù)見圖3、4。

圖3 切頂卸壓支護布置平面Fig．3 Schematic diagram of roof cutting pressure relief support layout

注漿錨桿長度2 m，為中空式普通注漿錨桿，注漿材料選擇水泥-水玻璃雙液漿。注漿壓力、注漿時間等參數(shù)選擇結(jié)合實際頂板及上幫煤體裂隙發(fā)育情況而定。

圖4 切頂爆破前后支護Fig．4 Roof cutting blasting and supporting diagram

2. 2．2移動臨時加強支護

由于沿空巷道要經(jīng)歷兩次工作面回采采動影響，而采動影響是隨著工作面的推進而不斷移動的，所以應(yīng)以可移動的主動加強支護來抵消采動影響期間的壓力。設(shè)計提出對工作面超前30 m，工作面及采空區(qū)滯后70 m共100 m范圍內(nèi)進行移動臨時加強支護，加強支護以單體液壓支護為主，采空區(qū)側(cè)以雙柱形式，上幫及巷中以單柱形式，每排四柱，具體布置參數(shù)見圖5。

圖5 移動臨時加強支護Fig．5 Schematic diagram of temporary support

3 應(yīng)用效果

在東榮三礦東八里部-500水平8#煤層右三綜采工作面進行切頂卸壓沿空留巷施工后，通過爆破孔參數(shù)調(diào)整，最終確定采用6 m深爆破孔，間距2 m。井下爆破施工過程如圖6所示。由圖6可以看到，切頂效果好，成縫率高，采空區(qū)在工作面后約5 m開始垮落，垮落矸石高度5 m左右，可全部充填采空區(qū)。

圖6 井下爆破施工過程Fig．6 Process of blasting construction

4結(jié)論

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)在東榮三礦東八里部-500水平8#煤層右三綜采工作面成功實施。通過爆破參數(shù)優(yōu)化，確定了間距2 m，深度6 m的合理切頂卸壓孔參數(shù);根據(jù)8#煤層其他工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及頂板巖層分布，確定了以液壓單體支柱+注漿錨桿+錨索的綜合巷道加強支護方式;根據(jù)8#煤層工作面礦壓規(guī)律，確定了采用移動式加強支護，支護工作面前后100 m范圍。

在進行巷旁充填支護、加強支護、矸石墻、粉煤灰袋等支護形式下的沿空留巷時，均可采用切頂卸壓技術(shù)，對巷道頂板進行卸壓爆破，可以減輕頂板對護巷體的破壞作用。

[1]畢德純，王子君．煤礦開采技術(shù)[M]．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008．

[2] 宋彥波．頂板預(yù)裂法留巷技術(shù)[J]．礦山壓力與頂板管理，1997( Z1) : 159-160．

[3] 胡 剛，王曉波，王維維．低透氣性煤層長鉆孔爆破增透技術(shù)[J]．黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2013，23( 2) : 159-162．

[4] 李鳳儀，孫登林，孫運森，等．一種長鉆孔爆破裝藥裝置:中國，CN201662371U[P]．2010-12-01．

[5] 張國華．主動支護下沿空留巷頂板破碎原因分析[J]．煤炭學(xué)報，2005，30( 4) : 429-432．

[6] 石建軍，馬念杰，白忠勝．沿空留巷頂板斷裂位置分析及支護技術(shù)[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41( 7) : 35-37，42．

[7] 孫成坤，傅 貴．沿空留巷復(fù)合底板底臌技術(shù)原因與防治對策[J]．黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2011，21( 6) : 436-439．

[8] 秦 濤，馮俊杰，馬遠平，等．急傾斜煤層沿空留巷的巷旁充填技術(shù)[J]．黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2013，23( 4) : 319-323．

(編輯 徐 巖)

Study on and application of pressure relief by roof cutting on gob-entry retaining

WANG Weiwei，LI Fengyi，LAN Yongwei

( School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China)

Aimed at eliminating the problems，such as resource waste，coal pillar stress concentration，and goaf ignition，due to the segment pillar-protected roadway，this paper is a study of the non-pillar mining technology marked by pressure relief due to roof cutting in the roadway along gob，as is required by the geological conditions of Dongrong No．3 colliery east eighth unit-500 level 8#coal seam．The application of conventional way for retaining gob-entry tends to leave the roadway support ( gangue wall，filling and wood chopping) vulnerable to cantilever pressure of the gob roof，causing the serious deformation of the roadway and the consequent damage to the roof．Based on deep hole blasting technology and combined with theoretical research and cutting parameter design，the study consists of performing the deep hole blasting ahead of time against the roof of gob-entry roadway in the working face and achieving the artificial roof cutting，thus reducing the roof pressure acting on roadway-protecting structure and culminating in a so-called pressure relief by roof cutting，defined as one of gob-entry retaining technologies．The method，with the proven ability of eliminating the problems，such as continuously intense production and poor control of roof of gob-entry roadway，and of improving the resource recovery rate，as in Dongrong No．3 colliery may serve as a reference to application of the gob-entry retaining technology．

gob-entry retaining; pressure relief by roof cutting; deep hole blasting;roadside support

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 005

TD353

2095-7262( 2014) 01-0020-04

A