東峰煤礦3201工作面切頂卸壓護巷技術應用

劉亞洲

（山西蘭花集團東峰煤礦有限公司，山西 晉城 048000）

傳統(tǒng)的留設煤柱開采方法不但會造成煤炭資源的浪費，而且煤柱處形成較大面積的頂板巖層懸頂，懸頂過大會造成煤柱及柱旁巷道的應力過大，導致巷道變形過大，容易發(fā)生失穩(wěn)，出現(xiàn)安全事故［1］。因此，提出了針對柱旁巷道進行切頂卸壓研究，不但可以保證巷道的穩(wěn)定，而且可以實現(xiàn)更快捷的通風方式［2-3］。

目前許多研究學者針對工作面巷道切頂卸壓關鍵參數(shù)設計進行了研究，謝小平［4］針對傾斜薄煤層工作面具體環(huán)境，確定了切頂卸壓爆破技術參數(shù)；劉大千［5］針對馬蘭礦18506工作面設置了兩組炮孔對頂板進行爆破卸壓，切斷了采動應力傳播途徑；現(xiàn)針對東峰煤礦3201工作面軌道順槽進行沿空留巷技術研究，通過沿空留巷保證3201工作面軌道順槽的圍巖穩(wěn)定，進而保證工作面的安全回采。

1 工程概況

1.1 工作面概況

東峰煤礦屬于山西蘭花集團，位于山西省高平市，3201工作面所采煤層為3號煤層，平均厚度為5.93 m，煤層傾角為5°，為不易自燃煤層，絕對瓦斯涌出量為1.34 m3/min。工作面直接頂為粗粉砂巖，平均厚度為3.01 m，黑色；老頂為中粒砂巖，平均厚度為3.57 m，灰褐色；直接底板為泥巖，平均厚度為0.7 m，灰黑色，含植物化石；老底為泥巖，平均厚度為4.96 m，黑色，片狀。

1.2 工作面具體條件

3201工作面位于二采區(qū)西翼，西側為3201軌道順槽，南側為二采區(qū)膠帶上山，東側為實體煤、北側為東峰煤礦與山西高平科興集團南陽煤礦有限公司邊界線，3201軌道順槽設計長度2372.8 m。3201工作面工程平面見圖1。

圖1 3201工作面工程平面

2 巷道原支護方式分析

東峰煤礦3201工作面軌道順槽主要沿3號煤底板掘進，巷道為矩形斷面，寬度5.2 m，高度3.3 m，斷面面積17.16 m2。原支護方式為高強錨桿+錨索支護。

在施工過程中，巷道受到頂板巖層壓力傳遞導致圍巖變形量大、成型差，原支護方式部分失效，無法滿足工作面的安全回采需求，且工人勞動強度大，安全隱患發(fā)生幾率較大，為了保證3201工作面軌道順槽的安全穩(wěn)定，需針對其頂板巖層進行切頂卸壓，保證順槽的安全穩(wěn)定。

3 切頂卸壓定向爆破設計

3.1 孔網參數(shù)

（1）布孔方式

沿巷道回采側肩角布置一排炮孔。為了防止爆破損傷頂板、頂板離層或錨固失效，在采取聚能藥包定向斷裂爆破的基礎上，設計鉆孔直徑不超過50 mm，選取鉆桿直徑42 mm，鉆頭直徑48 mm，炮孔直徑db=50 mm，炮孔與水平面夾角（炮孔傾角）β=75°。

（2）炮孔長度

①冒落高度計算

冒落帶高度可以由下式得到：

式中：H為割煤高度，取2.6 m；KA為冒落巖層的碎脹系數(shù)，取1.2；η為放出率，取0.8；C為殘煤厚度SA為老頂下位巖梁觸矸處的沉降值，取0.2 H；T為頂煤厚度，取3.22 m；Km為頂煤垮落后的碎脹系數(shù)，取1.1；Mz為冒落高度。

計算可得：Mz=22.96 m。

②炮孔長度計算

根據(jù)以上分析，頂煤和頂板矸石完全充滿采空區(qū)的冒落高度應為22.96 m，但根據(jù)3201鉆孔取芯巖性分析可知，確定沿空留巷頂板上方垂直高度18 m范圍內巖層為主要弱化對象。因此，炮孔長度L為：

L=Mz/sin β

經計算得：L=23.77 m，根據(jù)井下鉆探取芯情況，炮孔長度18 m即可保證關鍵層破斷，滿足綜放沿空留巷切頂卸壓要求，因此取炮孔長度18 m。

（3）炮孔間距

按應力波與爆生氣體準靜壓共同作用確定炮孔間距，取炮孔間距600 mm。

3.2 裝藥參數(shù)

裝藥長度10 m，封孔長度8 m，單孔裝藥量：

Q=q×l

式中：q為每米裝藥量，kg/m，此處q=0.5 kg/m；l為裝藥長度，m。

Q=ql=0.5×10=5 kg

聚能藥包定向斷裂炮孔布置見圖2。

圖2 聚能藥包定向斷裂炮孔布置

3.3 裝藥結構

采用孔底不耦合連續(xù)裝藥，聚能藥包定向斷裂爆破。炮孔長度18 m，聚能管裝藥總長度10 m，炮泥封孔長度8 m。

采用可調壓氣動膠槍將乳化炸藥注入聚能管內，單節(jié)聚能管長度2 m，聚能管間采用專用連接件連接并用螺絲固定，確保聚能管間捆扎牢固，可靠傳爆炸藥。聚能管扣蓋必須朝向采空區(qū)一側，每節(jié)聚能管安裝1個Φ50 mm鉆孔用定位塊，確保聚能與預裂方向一致［4-5］。裝藥結構見圖3。

圖3 聚能藥包定向斷裂炮孔裝藥結構

3201工作面沿空留巷定向斷裂爆破主要爆破參數(shù)見表1。

表1 主要爆破參數(shù)

4 沿空留巷支護設計

4.1 巷旁支護

基于目前巷道斷面，結合工作面后期規(guī)劃，確定沿空留巷巷道寬度4000 mm，巷旁支護寬度1200 mm，墻體向巷內迎山5 °。沿空留巷支護橫斷面見圖4，支掛模見圖5。

圖4 沿空留巷支護橫斷面

圖5 支掛柔模巷內傾斜

（1）礦用高性能混凝土

采用陜西開拓建筑科技有限公司配制的滿足自密實、早強、高強等要求的礦用高性能混凝土，混凝土強度等級不低于C40。

（2）對拉錨栓

錨栓規(guī)格：采用鋼號為500號的左旋無縱筋螺紋鋼，錨栓桿體直徑不小于Φ22 mm，桿體長度1450 mm，兩端設有螺紋，螺紋長度大于等于100 mm，規(guī)格為M24。

錨栓托盤：托盤尺寸不低于150 mm×150 mm×12 mm，托盤承載能力大于23 t。

錨栓布置：間排距700 mm×750 mm，每排5根錨栓，垂直于墻面布置。

錨栓預緊力：掛設柔模的單體液壓支柱未戴柱帽，容易破碎頂煤，造成墻體側頂板臺階下沉（巷內切頂），因此掛模單體液壓支柱應在墻體澆筑完成后24～30 h內拆除。墻體澆筑成型1 d后通過扭矩扳手給錨栓施加300 N·m的預緊扭矩，錨栓結構見圖6。

圖6 錨栓結構

（3）鋼筋鋼帶

采用Φ16 mm圓鋼焊接鋼筋鋼帶，橫向鋼筋鋼帶長度分別為1900 mm、3000 mm和3400 mm，對應2000 mm、3000 mm和4000 mm長柔性模板。鋼筋鋼帶扣距80 mm，鋼筋鋼帶尺寸結構見圖7。

4.2 臨時加強支護

（1）超前支護

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，超前工作面臨時支護范圍不少于20 m，考慮到超前工作面切頂爆破影響，得到超前支護范圍為30 m。采用單體支柱配合π型鋼梁打一梁四柱抬棚，單體柱間距900±100 mm，每排4根單體液壓支柱，π型梁體長度在3800 mm。在壓力較大區(qū)域，在柔模墻體頂部橫向布置廢舊鋼梁。

（2）滯后支護

滯后支護范圍為工作面后方250 m，采用單體支柱配合π 型鋼梁打一梁四柱抬棚，間距900±100 mm。第一排π型梁距煤幫500 mm，第二排距煤幫1900 mm，第三排距煤幫2700 mm，第四排距墻300 mm，π型鋼梁長度3800 mm。

5 工業(yè)試驗

為檢驗此次研究的效果，在實施切頂卸壓后3201工作面軌道順槽布置測點，并按十字測量法測量軌道順槽頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平俊Ｓ涗洸⒎治鰯?shù)據(jù)可知，3201工作面軌道順槽頂板最大離層高度94 mm，頂?shù)装逑鄬σ平孔畲?31 mm，兩幫相對移近量最大102 mm。從數(shù)據(jù)分析結果看，軌道順槽能夠正常使用。

6 結語

通過理論計算和現(xiàn)場經驗，確定了工作面爆破參數(shù)為：鉆孔長度為18 m、鉆孔直徑為50 mm、鉆孔間距為600 mm、鉆孔傾角為75°、封孔長度為8 m等；還對軌道順槽支護方式進行了進一步優(yōu)化，最后在東峰煤礦進行了工業(yè)試驗，最終得到3201工作面軌道順槽在切頂卸壓穩(wěn)定后最大離層高度94 mm，頂?shù)装逑鄬σ平孔畲?31 mm，兩幫相對移近量最大102 mm，可以保證軌道順槽的安全使用。