深孔聚能頂板預(yù)裂爆破沿空留巷技術(shù)研究及實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

劉雨濤 李燕平 張開加 郭懷廣

摘 要：分析沿空留巷技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)，有針對(duì)性地提出“深孔聚能頂板預(yù)裂爆破”技術(shù)，并采取預(yù)制塊砌墻護(hù)巷方案，通過高山煤礦1902工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)考察，驗(yàn)證了上述頂板預(yù)裂爆破技術(shù)及預(yù)制塊砌墻護(hù)巷技術(shù)在解決沿空留巷技術(shù)難題方面的作用，有效減輕巷道的變形，解決巷道維護(hù)困難及漏風(fēng)問題，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在本礦區(qū)其他工作面以及類似地質(zhì)條件的其他礦井中的推廣應(yīng)用具有較高的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義

關(guān)鍵詞：沿空留巷；深孔聚能；頂板預(yù)裂爆破；預(yù)制塊；巷道維護(hù)

中圖分類號(hào)：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）26-0063-03

Abstract： This paper analyzes the technical characteristics and difficulties of gob-side entry retaining， puts forward the "deep-hole shaped roof pre-splitting blasting" technology， and adopts the precast block masonry wall to protect the roadway， through the field test investigation of the 1902 working face in the high mountain coal mine. The effect of the roof pre-splitting blasting technology and the precast block masonry wall protection technology upon solving the technical problems of gob-side entry retaining is verified， and the deformation of the roadway is effectively reduced， the difficult maintenance of the roadway and the problem of air leakage are solved. It is of high reference value and guiding significance for the popularization and application of this technology in other working faces and other mines with similar geological conditions in this mining area.

Keywords： gob-side entry retaining； deep-hole energy accumulation； roof presplitting blasting； precast block； roadway maintenance

高山煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，主采的9號(hào)煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。為治理礦井瓦斯，在掘進(jìn)機(jī)回采前需采取穿層或順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯。采掘前的瓦斯治理工作需要較長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致采掘接替十分緊張。為緩解該情況，目前礦井較多采用沿空掘巷技術(shù)，以減少瓦斯治理所需時(shí)間，該技術(shù)在縮短瓦斯治理時(shí)間上起到一定作用，但也帶來了一些新的問題：小煤柱留設(shè)寬帶一般為5m，在工作面回采過程中小煤柱一側(cè)巷道變形嚴(yán)重，支護(hù)、維修存在較大困難；小煤柱在多次集中應(yīng)力的影響下，而小煤柱另一側(cè)為采空區(qū)，煤層原始賦存狀態(tài)被破壞，容易導(dǎo)致漏風(fēng)，采空區(qū)瓦斯在風(fēng)壓作用下被帶入巷道及工作面；高山煤礦9號(hào)煤層自然發(fā)貨期較短，小煤柱在多次集中應(yīng)力的影響下，煤層原始賦存狀態(tài)被破壞，不利于礦井火災(zāi)防治[1][2]。

為進(jìn)一步縮短回采前的巷道準(zhǔn)備及瓦斯治理時(shí)間，礦井?dāng)M采用沿空留巷技術(shù)。采用沿空留巷技術(shù)可以減少一條回采巷道的掘進(jìn)工程量，但是，傳統(tǒng)沿空留巷技術(shù)依然存在支護(hù)困難及臨近工作面采空區(qū)漏風(fēng)情況[3]。為解決上述問題，提出“深孔聚能頂板預(yù)裂爆破”沿空留巷技術(shù)，并在高山煤礦1902工作面進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

1 深孔聚能頂板預(yù)裂爆破

深孔聚能預(yù)裂爆破頂板沿空留巷是通過聚能預(yù)裂爆破后的預(yù)裂面改變了沿空留巷巷道上覆懸伸頂板巖體的結(jié)構(gòu)，引起巖層移動(dòng)規(guī)律發(fā)生相應(yīng)的改變。在采面頂板周期來壓作用下，懸伸巖層在上覆壓力擠壓下沿預(yù)裂面切落（垮落），極大消散了沿空留巷巷道圍巖的應(yīng)力集中程度，應(yīng)力集中向圍巖深部轉(zhuǎn)移，改善了沿空留巷巷道的圍巖應(yīng)力環(huán)境，減小了巷內(nèi)支護(hù)的受力及巷旁支護(hù)的阻力和應(yīng)力集中程度，最終提高沿空留巷巷道穩(wěn)定性[4][5]。

深孔聚能預(yù)裂爆破技術(shù)方案及參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

1.1 深孔聚能預(yù)裂爆破起始位置

切頂卸壓沿空留巷起始位置的選擇在一定程度上影響著最終的成巷效果。為保證工程項(xiàng)目的順利實(shí)施及施工安全，在選擇起始位置時(shí)，要綜合考慮多種因素，慎重選擇。根據(jù)高山煤礦9號(hào)煤層實(shí)測(cè)礦壓資料，預(yù)計(jì)工作面的礦壓情況如下：（1）基本頂初次來壓步距為25～50m。（2）基本頂周期來壓步距為25～45m?？纱_定于距離開切眼后18m（初次來壓步距的1/2）即可消除新切眼的干擾。安全起見，在距離切眼后20m進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂施工。

1.2 炮孔深度（預(yù)裂爆破切縫高度）設(shè)計(jì)

聚能爆破炮孔深度與煤層頂、底板巖性及厚度、煤層厚度、工作面采高及順槽斷面尺寸有密切聯(lián)系。炮孔深度是否合適將直接影響到爆破切頂效果，以及頂板垮落程度及施工工程量。1902工作面采用綜合機(jī)械化開采，煤層直接頂板為粉砂巖、泥土巖，平均厚度為1.09m?；卷敯鍨榉凵皫r，平均厚度為5.92m。煤層厚度為1.7m，下順槽斷面為矩形，斷面規(guī)格：凈寬×凈高=4.2m×2.0m，斷面積為8m2。根據(jù)高山煤礦施工經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)（頂板垮落容易），設(shè)計(jì)炮眼深度5m，炮眼角度為90°（垂直于頂板）。

1.3 施工順序及施工工序

炮孔沿巷道按工作面推進(jìn)方向從里往外逐段施工。

施工工序：（1）正?；夭蓵r(shí)：割煤→移架→沿空留巷施工。（2）頂板破碎時(shí)：移架→沿空留巷施工→割煤。

1.4 沿空留巷支護(hù)方式及相關(guān)要求

（1）單體支柱配合鉸接頂梁支護(hù)：采用DW22～DW25型單體液壓支柱配合HDJB-1200型鉸接頂梁沿爆破地點(diǎn)的預(yù)裂線走向架設(shè)兩排棚進(jìn)行支護(hù)，排間距為300mm，柱距為600mm。根據(jù)爆破實(shí)際情況，在有需要的情況下，在沿采空區(qū)一側(cè)的單體柱上用鐵絲捆綁金屬網(wǎng)（雙層）隔離采空區(qū)。沿巷道下幫采用DW22～DW25型單體液壓支柱配HDJB-1200型鉸接頂梁架設(shè)單排棚進(jìn)行支護(hù)，柱距600mm。

（2）錨索配合錨網(wǎng)支護(hù)：在原來錨桿配合金屬網(wǎng)支護(hù)頂板的基礎(chǔ)上，沿著沿空留巷巷道中心線每隔2.4m施工一根規(guī)格為直徑×長(zhǎng)度=0.01524m×6.0m的錨索。如果在留巷后頂板巷道壓力大增加下幫壓力，煤壁有嚴(yán)重片幫時(shí)，可以在實(shí)煤體側(cè)的巷幫上加掛金屬網(wǎng)并加打兩排管縫錨桿，錨桿規(guī)格為直徑×長(zhǎng)度=0.042m×1.4m。間排距為1.0m×1.0m。如圖2所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析

在1902工作面采用深孔聚能頂板預(yù)裂爆破技術(shù)過程中，對(duì)運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力分布、變形規(guī)律、錨桿錨固力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分析采用深孔聚能頂板預(yù)裂爆破措施前后，煤體走向及側(cè)向應(yīng)力分布、基本頂斷裂位置、塑性區(qū)分布、超前支護(hù)范圍以及滯后壓力高峰位置等的變化情況。

2.1 頂板離層監(jiān)測(cè)

頂板離層儀是適用于監(jiān)測(cè)巷道頂板圍巖層分離時(shí)所產(chǎn)生位移的專用監(jiān)測(cè)儀器，為工程技術(shù)人員掌控錨桿支護(hù)及巷道頂板在受采動(dòng)影響時(shí)的圍巖離層量的變化情況。

頂板離層儀的兩個(gè)固定裝置（錨爪）固定在鉆孔中不同深度處，錨爪隨巖層的變化而發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，其量通過儀器內(nèi)傳感器記錄下，通過頂板不同層位的位移差，從而判斷出巷道頂板的穩(wěn)定性和錨桿支護(hù)效果。頂板離層儀安裝位置如圖3所示，觀測(cè)結(jié)果如表1所示。觀測(cè)顯示在觀測(cè)期內(nèi)，頂板離層值較小，頂板是穩(wěn)定的。

2.2 巷道斷面圍巖變形觀測(cè)

巷道斷面變形采用十字分布點(diǎn)法來進(jìn)行，如圖4所示。觀測(cè)斷面與離層斷面位置對(duì)應(yīng)。該部分?jǐn)?shù)據(jù)由監(jiān)測(cè)人員每天下井記錄一次，觀測(cè)結(jié)果如表2所示。從觀測(cè)結(jié)果看，后期頂?shù)装迤骄冃慰偭炕揪S持在300±50mm，兩幫平均變形總量維持在200±20mm，墻體基本穩(wěn)定。

2.3 煤體應(yīng)力觀測(cè)

煤體應(yīng)力的監(jiān)測(cè)采用液壓型煤體應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)，該部分?jǐn)?shù)據(jù)由監(jiān)測(cè)人員每天下井記錄一次。安裝方法及參數(shù)：煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)共布置10個(gè)應(yīng)力傳感器。由于工作面呈近水平，所以只布置在工作面一條順槽內(nèi)即可，沿煤柱側(cè)施工應(yīng)力觀測(cè)鉆孔，并安裝液壓型煤體應(yīng)力計(jì)。墻體應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5和圖6所示。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，砌墻約150m以后，墻體受力基本穩(wěn)定。

2.4 深孔聚能爆破沿空留巷實(shí)施情況前后對(duì)比

頂板預(yù)裂爆破后，頂板巖體膠結(jié)穩(wěn)固性遭到破壞，隨著回采的推進(jìn)，頂板又進(jìn)一步受到作業(yè)的擾動(dòng)，慢慢地發(fā)生下沉，出現(xiàn)裂隙和斷裂現(xiàn)象。由于人工先采取了預(yù)裂爆破措施后，頂板斷裂就會(huì)先發(fā)生在已遭破壞的巖體中進(jìn)行，于是巖體就會(huì)沿著預(yù)裂爆破的炮眼先發(fā)生裂隙和斷裂，為下一步沿著預(yù)裂爆破炮眼發(fā)生垮落創(chuàng)造了條件。

2.5 深孔聚能爆破沿空留巷巷旁支護(hù)選擇

頂板預(yù)裂切頂卸壓沿空留巷的實(shí)施能否成功，后期能不能達(dá)到預(yù)期的留巷效果，在很大程度上取決于巷旁支護(hù)對(duì)巷道的維護(hù)作用。在后期的觀察中，由于頂板壓力較大，使用單體棚作為巷旁支護(hù)導(dǎo)致留出的巷道毛邊多，垮落不齊整，巷道返修率高，后期巷道變形較大，單體棚損壞嚴(yán)重等問題，直接導(dǎo)致沿空留巷效果，影響沿空留巷的正常使用。為此，在采用深孔聚能預(yù)裂爆破頂板措施后，使用單體柱作為臨時(shí)支護(hù)，使用高強(qiáng)度預(yù)制塊砌墻作為永久性巷旁支護(hù)[6]。

3 效果分析

以上監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，采用“深孔聚能頂板預(yù)裂”方式在1902工作面沿空留巷效果總體良好，利用混凝土“預(yù)制塊砌墻”作為巷旁支護(hù)可以有效控制頂板下沉，保證所留巷道的整體穩(wěn)定性，該項(xiàng)目在高山煤礦取得了成功。

4 效益分析

4.1 留巷成本降低

根據(jù)計(jì)算，沿空留巷材料成本、人工成本總計(jì)為：868元/m。而沿空掘巷每米成本約為2000元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4.2 回收煤柱增產(chǎn)

采用沿空留巷后，由于取消了煤柱，每個(gè)工作面可以多回收一條20m寬的煤柱（無煙煤），現(xiàn)在每噸煤按280元計(jì)算，則每米巷道可回收煤柱增產(chǎn)的效益為1×1.7 20 1.6 280=15232元，本工作面推采長(zhǎng)度710m計(jì)，回收煤柱增產(chǎn)效益為1081.5萬元。

4.3 由于不再掘進(jìn)煤巷，從而減少了瓦斯治理投入，以本礦井煤巷瓦斯治理成本2520元/m計(jì)，本工作面推采長(zhǎng)度710m計(jì)，采后將減少掘進(jìn)710m， 減少瓦斯治理投入178.9萬元。

5 結(jié)束語(yǔ)

深孔聚能預(yù)裂爆破頂板沿空留巷項(xiàng)目取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，有效緩解高山煤礦采掘接替緊張的問題，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在本礦區(qū)其他工作面以及類似地質(zhì)條件的其他礦井中的推廣應(yīng)用具有較高的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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