綜放工作面沿空留巷超前預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)研究

于亦飛，劉忠平，雷平博，石景帥

(1.山西高河能源有限公司，山西 長治 047100；2.陜西開拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054)

柔模混凝土沿空留巷具有：回收煤柱，延長礦井服務(wù)年限；實現(xiàn)Y型通風(fēng)，消除回風(fēng)隅角瓦斯積聚，改善礦井安全條件，提高礦井安全生產(chǎn)水平；改善礦井技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)等諸多優(yōu)點[1-3]。目前，柔模混凝土沿空留巷在我國綜采放頂煤工作面中廣泛應(yīng)用，留巷效果較好，但局部留巷墻體壓力較大，巷道頂板存在臺階下沉現(xiàn)象，特別是留頂煤巷道，為了保證柔模混凝土沿空留巷的頂板穩(wěn)定性，減小墻體承壓，維護巷道穩(wěn)定，需在超前工作面推進過程中，對留巷頂板應(yīng)力集中區(qū)范圍或懸頂區(qū)提前進行切頂卸壓，消除懸頂現(xiàn)象。為此，在高河煤礦W1309綜放工作面進行了試驗，攻克了綜放工作面留頂煤沿空留巷頂板臺階下沉嚴(yán)重的問題。

1 工程條件

W1309工作面位于西一盤區(qū)，是西一盤區(qū)第三個回采面，周邊均為未采區(qū)，無老窯及采空區(qū)，無積氣區(qū)；西面距井田西邊界150 m，北面為設(shè)計的W1308工作面，南面為設(shè)計的W1310工作面，東面為南翼大巷。

W1309工作面開采3號煤層，厚度在6.00～6.94 m，平均為6.44 m；煤層傾角3～15°，平均8°；采深450～490 m。工作面傾向長320 m，走向長1 777 m。W1309回風(fēng)巷頂?shù)装鍘r層特征見表1。

2 預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)原理

為了保證沿空留巷成巷效果，在超前工作面沿回風(fēng)巷回采側(cè)頂板肩角打設(shè)一排切頂卸壓孔，進行切頂卸壓，降低沿空留巷頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉(zhuǎn)變形壓力，從而大大減小巖梁傳遞到巷旁和巷內(nèi)支護結(jié)構(gòu)的荷載，從根本上改善巷道的力學(xué)環(huán)境，沿空留巷不切頂和提前預(yù)裂爆破切頂卸壓工作面回采斷頂后效果見圖1和圖2。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征

圖1 沿空留巷不切除斷頂采區(qū)斷頂后力學(xué)模型

圖2 沿空留巷切除斷頂采區(qū)斷頂后力學(xué)模型

3 聚能預(yù)裂爆破參數(shù)

3.1 爆破器材

1) 炸藥。品種：三級煤礦許用乳化炸藥；規(guī)格：標(biāo)準(zhǔn)節(jié)自行灌裝，可采用現(xiàn)有規(guī)格；炸藥密度：1 000 kg/m3；裝藥密度：0.95～1.25 g/cm3；爆速：>3 200 m/s。

2) 雷管。品種：煤礦許用毫秒延期8號雷管，符合《工業(yè)電雷管》(GB8031-2015)國家標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)煤礦許用延期電雷管的要求； 段別：1～4。

3) 導(dǎo)爆索。導(dǎo)爆索采用煤礦許用導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索是以太安、黑索金炸藥為藥芯、用棉線和塑料編織絲等作包纏物，并以塑料為防潮層組成，規(guī)格為D5.2～5.5 mm(或D(6.5±0.3) mm)，爆速≥6 000 m/s。

3.2 爆破參數(shù)設(shè)計

3.2.1 炮孔布位

沿回風(fēng)巷走向柔?；炷翂ν鈧?cè)肩角布單排平行孔，炮孔偏向W1309工作面，直徑75 mm；藥柱外徑60 mm，裝藥不耦合系數(shù)1.25，符合預(yù)裂爆破不耦合系數(shù)D=1.25～2的要求[4-6]，充分考慮鉆眼施工、裝藥、炮眼利用率及爆破效果等因素，炮孔上傾角70°，如圖3所示。

圖3 預(yù)裂炮孔位置剖面

3.2.2 炮孔深度

根據(jù)W1309工作面3號煤層和頂板巖層的厚度、結(jié)構(gòu)和巖性，預(yù)裂斷頂巖梁主要為5～12.7 m深度的基本頂砂巖，確定沿空留巷頂板上方垂直高度12.7 m范圍為主要處理對象。

根據(jù)炮孔傾角，計算最小炮孔深度為：

L=MZ/sin70°=12.7/0.94=13.5 m

經(jīng)計算取炮孔深度為13.5 m。

3.2.3 炮孔間距

1) 按應(yīng)力波疊加作用計算(采用不耦合裝藥)。

a=2(b·p2/σt)1/α·rb

式中：a為炮孔間距，m；σt為巖石的抗拉強度，此處為3.69 MPa；P2為炮孔壁初始壓力峰值，MPa；ρ0和D為炸藥密度和爆速；n壓力增大倍數(shù)，此處n=10；b為側(cè)應(yīng)力系數(shù)，b=μ/(1-μ)，此處，b=0.25/(1-0.25)=0.33；α為應(yīng)力波峰值在巖體內(nèi)的衰減指數(shù)，α=2-b，此處α=1.67。

a1=2×(0.33×1 280/3.69)1/1.67×2.1×10-2

=1.758 m

2) 按應(yīng)力波與爆生氣體準(zhǔn)靜壓共同作用計算。封閉在炮孔內(nèi)的爆生氣體以準(zhǔn)靜壓的形式作用于炮孔壁，其應(yīng)力狀態(tài)類似于均勻內(nèi)壓的厚壁筒。根據(jù)彈性力學(xué)的厚壁圓筒理論及巖石中的抗拉強度準(zhǔn)則，則有：

a=2(P0/σt)1/2·rb

式中：P0為作用于炮孔壁的準(zhǔn)靜態(tài)壓力。

當(dāng)采用柱狀不耦合裝藥時，有：

a2=2(P0/σt)1/2·rb=2×(111/3.69)1/2

×0.021=0.23 m

因此，按照應(yīng)力波與爆生氣體準(zhǔn)靜壓共同作用原理，炮孔間距為a=a1+a2=1.758+0.23=1.988 m。

由于P2和P0均遠(yuǎn)大于巖石抗壓強度，所以孔壁會產(chǎn)生壓碎破壞，產(chǎn)生能量損失，為使裂隙可靠發(fā)展，實際a取1 m。

3.2.4 裝藥結(jié)構(gòu)

采用不耦合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。炮孔深度13.5 m，裝藥長度8 m，封孔長度5.5 m。采用膠帶將炸藥綁扎在2 cm寬的竹片上，送入孔底，竹片總長度14 m。雷管塞入最外端藥卷內(nèi)，正向起爆，2根腳線引入孔外。1根導(dǎo)爆索綁扎在炸藥上，導(dǎo)爆索總長度為8.5 m，炮孔裝藥結(jié)構(gòu)見圖4。

3.2.5 起爆網(wǎng)路設(shè)計

采用煤礦許用毫秒電雷管串聯(lián)起爆。試炮時不采用延時爆破，每次起爆5個炮孔。當(dāng)爆破參數(shù)調(diào)整合適后，根據(jù)炮孔變形情況，采用毫秒延時爆破，但總延時不超過100 ms。

4 工程實踐

4.1 墻體變化規(guī)律

W1309回風(fēng)巷距離切眼50～250 m范圍內(nèi)未實施超前切頂聚能爆破技術(shù)，實測柔模墻體壓力變化見圖5。距切眼251～500 m位置實施預(yù)裂爆破技術(shù)后，實測柔模墻體壓力變化見圖6。

圖6 預(yù)裂爆破段柔模墻體壓力變化規(guī)律(251～500 m)

由圖5可見，未切頂卸壓范圍內(nèi)，柔模墻體壓力在滯后工作面110 m達(dá)到最大11.3 MPa，滯后工作面150 m后墻體壓力趨于穩(wěn)定，巷道變形基本穩(wěn)定；由圖6可見，切頂范圍內(nèi)柔模墻體壓力在滯后工作面150 m達(dá)到最大1.7 MPa，滯后工作面180 m趨于穩(wěn)定。

4.2 巷道圍巖變形規(guī)律

未實施超前切頂卸壓巷道圍巖變形規(guī)律見圖7，實施超前切頂卸壓后巷道圍巖變形規(guī)律見圖8。

圖7 未預(yù)裂爆破段巷道圍巖變形規(guī)律

圖8 預(yù)裂爆破段巷道圍巖變形規(guī)律

由圖7可見，未切頂卸壓范圍內(nèi)，頂板最大下沉量為230 mm，兩幫移近量最大為70 mm；由圖8可見，切頂卸壓范圍內(nèi)，頂板最大下沉量為170 mm，兩幫移近量最大為30 mm。

5 結(jié) 語

在高河礦W1309回風(fēng)巷預(yù)裂爆破切頂卸壓段，柔?；炷翂w承壓大大降低，巷道圍巖變形量減小，巷道頂板臺階下沉量降低，保證了留巷質(zhì)量，達(dá)到了放頂煤沿空留巷的預(yù)期效果。