綜放工作面沿空留巷切頂卸壓護巷技術(shù)研究

常晉雷，宋瑞軍，劉 洋，羅厚林

(1.山西煤炭進出口集團有限公司 經(jīng)紡莊子河煤礦，山西 長治 047100；2陜西開拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054)

煤炭作為一種不可再生資源，隨著煤礦的不斷開采，煤炭資源越來越少，而傳統(tǒng)的留設(shè)保護煤柱造成的煤炭回收率低、資源浪費的問題日益突出[1]；沿空留巷切頂卸壓作為一種無煤柱開采技術(shù)，不僅可以提高煤炭資源采出率、延長礦井服務(wù)年限、減少巷道掘進量、緩解采掘接替緊張狀況，是我國煤炭安全高效開采的關(guān)鍵技術(shù)之一[2-3]，沿空留巷切頂卸壓的技術(shù)關(guān)鍵為提前對頂板進行預(yù)裂切縫，目前，應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)主要有預(yù)裂爆破和水力壓裂技術(shù)[4-6]。何滿潮等[7]在大量室內(nèi)試驗和生產(chǎn)實踐的基礎(chǔ)上，提出了以“切頂短臂梁”為基礎(chǔ)的切頂沿空成巷新方法，在薄煤層、中厚煤層﹑厚煤層以及破碎頂板、堅硬頂板和復(fù)合頂板等不同頂板條件下的煤層中得到了成功應(yīng)用[8-9]。

本文根據(jù)常村煤礦S5-16工作面巷道頂板條件，在井下實施沿空留巷切頂卸壓護巷技術(shù)的同時，不斷優(yōu)化爆破參數(shù)，最終得到了合理的爆破參數(shù)；留巷后巷道整體變形情況不大，對于其他同類礦井綜放工作面使用切頂卸壓護巷技術(shù)具有一定的參考價值和借鑒意義。

1 工程條件概況

1.1 工作面及留巷概括

常村煤礦在S5-16工作面實施沿空留巷切頂卸壓[10]技術(shù)，S5-16工作面寬度294 m，工作面設(shè)計推進長度660 m，回采至與S5-17切眼齊平時開始沿空留巷，留巷長度437 m。留巷寬度為4 500 mm，凈寬4 300 mm，巷道高度為3 700 mm。S5-16工程沿空留巷平面圖見圖1。

圖1 沿空留巷工程平面(mm)

1.2 地質(zhì)條件

S5-16工作面主采3號煤，煤層厚度平均為5.8 m，煤層層理明顯，節(jié)理、裂隙較發(fā)育。煤層傾角0～10°，普氏硬度f=0.4，容重為1.4 t/m3。頂煤平均厚度2.4 m，工作面直接頂為2.8 m厚的泥巖，黑色、塊狀、致密、質(zhì)均、屬于較硬巖層；老頂為6.6 m厚的中粒砂巖，灰色，長石石英為主，水平層理，垂直裂隙發(fā)育，屬于堅硬巖層；在老頂之上是一層3.0 m厚的較硬泥巖，泥巖上還有一層1.3 m厚的堅硬細粒砂巖。工作面直接底為1.2 m厚的泥巖；老底為1.5 m厚的細粒砂巖。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

2 切頂卸壓技術(shù)工藝及效果分析

2.1 技術(shù)工藝

切頂卸壓就是在軌道巷道應(yīng)力集中區(qū)范圍或懸頂區(qū)使用定向聚能爆破[11]進行切頂卸壓，通過切頂卸壓，消除懸頂現(xiàn)象，降低沿空巷道頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉(zhuǎn)變形壓力，從而大大減小了巖梁傳遞到巷旁和巷內(nèi)支護的荷載，從根本上改善巷道的力學(xué)環(huán)境。沿空留巷懸頂見圖2，沿空留巷預(yù)裂爆破切頂卸壓效果見圖3。

圖2 沿空留巷懸頂

圖3 預(yù)裂爆破切頂卸壓效果

2.2 爆破參數(shù)

本次爆破采用三級煤礦許用乳化炸藥、1～5段煤礦許用毫秒延期雷管、煤礦許用導(dǎo)爆索及D型聚能管。根據(jù)理論分析計算及在S5-16工作面頂板取芯分析，初步確定炮孔傾斜角度75°、炮孔直徑50 mm，深度11 m、切頂長度6 m、封孔長度5 m、炮孔間距600 mm、裝藥量450 g/m。采用孔底不耦合連續(xù)裝藥，聚能藥包定向斷裂爆破。聚能藥包定向斷裂炮孔布置見圖4，裝藥結(jié)構(gòu)見圖5。

2.3 爆破效果分析

1) 爆破過程：采用可調(diào)壓氣動膠槍將乳化炸藥注入聚能管內(nèi)，單節(jié)聚能管長度一般為2 m，聚能管間采用專用連接件連接并用螺絲固定，最后采用細鐵絲將連接件與聚能管捆扎3道，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(cè)，每節(jié)聚能管安裝1個D50 mm鉆孔用定位塊，確保聚能與預(yù)裂方向一致。

圖4 聚能藥包定向斷裂炮孔布置

圖5 聚能藥包定向斷裂炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

2) 判斷依據(jù)：根據(jù)措施孔內(nèi)縱向裂縫的有無和長短可以直觀判斷出預(yù)裂切頂爆破效果的好壞，進而分析出預(yù)裂切頂爆破炮孔的間距或施工是否合理。若在觀測孔內(nèi)未發(fā)現(xiàn)縱向裂縫或只有局部縱向裂縫，說明炮孔間距偏大，應(yīng)縮小炮孔間距；若在觀測孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)縱向裂縫長度達裝藥長度60%以上，說明炮孔間距合理；若在觀測孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)縱向裂縫長度達裝藥長度90%以上，且孔內(nèi)有巖石破碎現(xiàn)象，說明炮孔間距偏小，應(yīng)增大炮孔間距。

3) 效果分析：使用窺視儀對炮孔進行窺視，結(jié)果見圖6，預(yù)裂切頂爆破后在措施孔內(nèi)均產(chǎn)生了明顯縱向裂縫，但是裂縫生成長度不夠，裂縫分布也不均勻，沒有定向擴展規(guī)律；另外措施孔內(nèi)14 m處出現(xiàn)巖石碎片，有塌孔現(xiàn)象，此次爆破沒有達到爆破預(yù)期效果。

圖6 炮孔窺視效果

3 切頂卸壓技術(shù)工藝優(yōu)化方案

針對前期爆破沒有達到預(yù)期效果，經(jīng)井下現(xiàn)場打鉆、取芯對比后，與原提供的地質(zhì)資料存在差異。需重新優(yōu)化確定炮孔長度，理論計算具體過程如下：

1) 切頂高度計算。為使綜放工作面頂板垮落矸石充滿采空區(qū)，則切頂高度可根據(jù)如下公式計算：

C=(1-η)TKm

式中：Mz為切頂高度，m；KA為垮落巖層的碎脹系數(shù)，取1.25；H為割煤高度，取3.2 m；T為頂煤厚度，取2.6 m；SA為老頂下位巖梁觸矸處的沉降值，在一般采場SA=0.2H；C為殘煤厚度,m；η為放出率，取0.85；Km為頂煤垮落后的碎脹系數(shù)，取1.1；經(jīng)計算得：C=0.429 m，Mz=18.9 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)的切頂高度為18.9 m，根據(jù)現(xiàn)場頂板取芯柱狀圖得出：確定沿空留巷頂板上方垂直高度16 m范圍內(nèi)巖層為主要弱化對象。因此，炮孔長度L為：

L=Mz/sinβ

經(jīng)計算得：L=16.46 m，根據(jù)取芯結(jié)果以及其他礦井爆破施工經(jīng)驗，取炮孔長度16 m,即可保證關(guān)鍵層破斷，滿足綜放沿空留巷切頂卸壓要求。因此，將裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化為：炮孔長度16 m，裝藥長度4 m，封孔5 m，孔底不封孔。裝藥段爆破頂板關(guān)鍵層，從而消除關(guān)鍵層懸頂現(xiàn)象，降低沿空巷道頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉(zhuǎn)變形壓力。優(yōu)化后裝藥結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 優(yōu)化后裝藥結(jié)構(gòu)

4 切頂卸壓優(yōu)化后效果及留巷效果分析

切頂卸壓方案優(yōu)化后，爆破效果較前期未優(yōu)化方案，效果明顯，基本達到爆破預(yù)期效果及目的；留巷結(jié)束后，通過圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，巷道整體變形量不大，基本滿足巷道復(fù)用要求。

4.1 爆破效果分析

使用窺視儀窺視后，結(jié)果見圖8，從圖中可看出，預(yù)裂切頂爆破后在措施孔內(nèi)產(chǎn)生了明顯縱向裂縫且裂縫長度達到了裝藥長度60%以上、孔內(nèi)也沒有巖石破碎現(xiàn)象，證明預(yù)裂爆破有效果且效果較好，炮孔間距也合適；爆破后切縫線構(gòu)成了一個結(jié)構(gòu)面。

預(yù)裂切頂爆破后既沒有對留巷頂板造成破壞，也沒有對巷道頂板錨索的端錨位置巖體結(jié)構(gòu)造成破壞，導(dǎo)致錨索失效；回采面采空區(qū)直接頂上部的亞關(guān)鍵層垮落緩慢下沉，不存在隨采隨跨壓力集中顯現(xiàn)的情況。

圖8 優(yōu)化后炮孔窺視效果

4.2 留巷后圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)留巷后巷道實際情況，分為3段對巷道礦壓顯現(xiàn)進行分析，分別為前0～140 m(前段)、140～300 m(中段)、300～387 m(末段)，具體分析情況如下，礦壓監(jiān)測站布置如圖9所示。

圖9 沿空留巷礦壓測站布置

1) 留巷前段。前140 m留巷段巷道表面位移自留巷施工結(jié)束至今變化量不大，趨于穩(wěn)定。沿空留巷設(shè)計高度3.8 m，現(xiàn)巷高3.1 m，設(shè)計寬度4.5 m，現(xiàn)平均寬度3.9 m，個別柔模墻體上部有破損現(xiàn)象。

在留巷30 m處布置一處位移監(jiān)測點，并第一次記錄數(shù)據(jù)，取該段第1組測點進行圍巖變形分析，第2組數(shù)據(jù)100 m后變形量基本穩(wěn)定，無變化，監(jiān)測點圍巖收斂變形監(jiān)測情況見圖10。

圖10 留巷前段位移觀測變化

通過位移變化量曲線圖可知：頂沉量：在工作面回采70 m范圍內(nèi)，頂板下沉量總體不超過50 mm，回采70 m至120 m的范圍內(nèi)頂板下沉量逐漸增加到100 mm；考慮到測量誤差因素，總體上頂板下沉緩慢，變化量較??；底鼓量：回采100 m范圍內(nèi)底鼓量在100 mm之內(nèi)緩慢增加，工作面回采超過100 m，底鼓量突然增大到150 mm(該處進行過淤泥清理工作)，之后趨于平緩；結(jié)論：目前回采里程140 m范圍內(nèi)底鼓量變化較小，局部地段適當進行起底工作。

墻體移近量：墻體移近量在測量范圍內(nèi)總體變化量不超過50 mm。

煤幫移近量：煤幫移近量總體上在50 mm范圍內(nèi)波動。

2) 留巷中段。在留巷距離160 m處布置中段位移監(jiān)測點(即3號測站)，此處是沿空留巷礦壓顯現(xiàn)最明顯區(qū)域，監(jiān)測點圍巖收斂變形監(jiān)測情況見圖11。

圖11 留巷中段位移觀測變化

通過位移變化量曲線圖，得出：頂板下沉量：在工作面回采63～70 m范圍內(nèi)，該段頂板下沉量最大100 mm；回采93 m時，頂板下沉量為200 mm，有所增加；回采至181 m時，頂板下沉量由200 mm增加到450 mm；181 m以后，漸趨于穩(wěn)定，下沉量不大。

底鼓量：回采63 m范圍內(nèi)底鼓量在50 mm之內(nèi)，變化較?。还ぷ髅婊夭傻?3 m時，巷道發(fā)生輕微底鼓，底鼓量150 mm左右；回采至181 m時，底鼓量逐漸增大到320 mm；216 m后巷道底板漸趨穩(wěn)定。

墻體移近量：在工作面回采63 m范圍內(nèi)無變化，工作面回采至63 m范圍外逐步向采空區(qū)移動，移動量為50 mm。

煤幫移近量：據(jù)工作面30 m范圍內(nèi)，煤柱側(cè)幾乎沒有變形，隨著工作面推進，頂板壓力增大，幫鼓量也開始增大，距工作面63～70 m，幫鼓量逐漸增至120 mm；之后隨著與工作面距離的增加到93 m，幫鼓量增大至250 m；與工作面距離在93 m以后，幫鼓量急劇增加至710 mm；與工作面距離在216 m以后出現(xiàn)穩(wěn)定。

由該測站的觀測數(shù)值可知，在沿空留巷期間，巷道的圍巖收斂量均不大，頂板下沉量最大為480 mm，底鼓量最大為320 mm，墻體移近量最大為50 mm，煤幫移近量最大為710 mm。煤幫移近量較大的原因在于工作面回采期間，煤柱幫屬于采場上覆巖層中橫三區(qū)的煤壁支承區(qū)，該區(qū)域在回采區(qū)域?qū)儆趹?yīng)力增高區(qū)，而常村煤礦煤層較軟，硬度系數(shù)僅為0.4，在高應(yīng)力的影響下，煤體發(fā)生破碎，塑性形變進一步加劇，致使幫鼓量較大。同時，自沿空留巷后，在回采過程中有兩次較大的來壓，一次位于距工作面63～93 m范圍內(nèi)，在該范圍內(nèi)，受到3～4次周期來壓影響，頂板發(fā)生離層，采空區(qū)側(cè)上方老頂在原有裂隙帶的基礎(chǔ)上破斷，覆巖運動劇烈導(dǎo)致頂板離層值迅速增加，巷道出現(xiàn)來壓；一次位于距工作面93～191 m范圍內(nèi)，初步分析，該時期進入壓實區(qū)，采空區(qū)深部巖層頂出現(xiàn)垮落下沉，作用于所留巷道，造成一次較大的來壓，巷道變形量也明顯增加。

3) 留巷末段。留巷末段礦壓與圍巖觀測整體變化量不大，巷內(nèi)平均高度3 100 mm，平均寬度4 200 mm，巷道下沉量、底鼓量、幫收斂量基本上在50 mm左右，不需要進行二次修復(fù)，滿足留巷復(fù)用要求。

5 結(jié) 語

1) 預(yù)裂切頂爆破的關(guān)鍵是確定合理的爆破參數(shù)，使用預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)后,既不會對留巷頂板造成破壞，也不會對巷道頂板錨索的端錨位置巖體結(jié)構(gòu)造成破壞，爆破后切縫線構(gòu)成了一個結(jié)構(gòu)面，回采面采空區(qū)直接頂上部的亞關(guān)鍵層垮落緩慢下沉，不存在隨采隨跨壓力集中顯現(xiàn)的情況。

2) 采用不耦合連續(xù)裝藥，導(dǎo)爆索多點起爆聚能藥包，每5個連續(xù)炮孔為一組，單次最多起爆5個炮孔。爆破后使用窺視儀窺視措施孔，確定爆破效果及時優(yōu)化爆破參數(shù)；最終確定了常村煤礦S5-16工作面切頂卸壓參數(shù)為炮孔傾斜角度75°、炮孔直徑50 mm，深度16 m、切頂長度4 m，封孔長度5 m、炮孔間距600 mm、裝藥量450 g/m時爆破效果最好。

3) 常村煤礦S5-16綜放工作面沿空留巷切頂卸壓護巷技術(shù)，在現(xiàn)場實際工程中的成功運用：留巷后壓力沒有集中顯現(xiàn)，圍巖變形得到有效控制，對于其他煤礦綜放工作面使用切頂卸壓護巷技術(shù)具有一定的參考價值和借鑒意義。