晉城礦區(qū)9#煤層爆破切頂無煤柱留巷技術(shù)研究

周晉碧，趙瑋燁

（1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城048000；2.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西晉城048000）

目前，國內(nèi)很多礦井采用區(qū)段煤柱護(hù)巷技術(shù)，存在礦井資源回收率低、采掘接替緊張、上隅角三角區(qū)瓦斯超限、巷道萬噸掘進(jìn)率高等問題。沿空留巷是一種在采煤工作面后沿采空區(qū)邊緣維護(hù)和保留原回采巷道的技術(shù)[1-4]，其顯著的優(yōu)勢在于能夠提高煤炭采出率、降低巷道掘進(jìn)率、緩解采掘銜接緊張、使工作面構(gòu)成Y型通風(fēng)系統(tǒng)，基于以上優(yōu)勢沿空留巷已經(jīng)成為科學(xué)采礦的重要發(fā)展方向和技術(shù)支撐[5-7]。

山西晉煤集團(tuán)葦町煤礦主要開采沁水煤田9 號煤層，平均煤厚1.6m，順槽巷道多為半煤巖巷，采用留設(shè)區(qū)段煤柱護(hù)巷方式，存在掘進(jìn)速度慢、采掘接替緊張、出矸率高、成本高、經(jīng)濟(jì)效益低等問題，同時面臨矸石堆放的環(huán)保壓力。因此，無煤柱沿空留巷技術(shù)作為消除煤柱引起的不利影響、緩解采掘銜接、提高煤炭資源回收率、減少出矸率等有利手段，成為礦井安全、高效開采的主要攻關(guān)技術(shù)之一[8-10]。

1 工程概況

葦町煤礦91310工作面位于礦井九一盤區(qū)，該盤區(qū)東部與葦町村為界，北部、南部均以井田邊界為界，西部與九二盤區(qū)相鄰。九一盤區(qū)東西長1.2km，南北寬1.1km，盤區(qū)面積約1.32km2，地質(zhì)資源量195.5×104t，設(shè)計(jì)可采儲量為115.6×104t，設(shè)計(jì)能力0.60Mt/a，服務(wù)年限約2年。礦井采用斜井單水平開拓方式，采用傾向長壁一次采全高開采方法，采空區(qū)頂板以全部垮落式管理。

91310工作面采用雙巷布置，工作面南部沿葦町村保護(hù)煤柱布置91219 巷，作為工作面進(jìn)風(fēng)兼作膠帶巷；北部布置91220巷作為工作面進(jìn)風(fēng)兼輔助運(yùn)輸巷；東部布置開切眼，對晉東南至荊門1000kV特高壓線塔基留設(shè)100m保護(hù)煤柱。91219巷、91220巷和切眼均沿9號煤層底板布置，采用矩形斷面，兩條順槽為新掘巷道。91220 巷為91310 工作面留巷巷道，留巷長度170m。工作面切眼長175m。巷道布置及留巷位置圖見圖1。

圖1 91310工作面巷道布置及留巷位置圖

根據(jù)現(xiàn)場取芯、鉆孔窺視結(jié)果，結(jié)合礦井鉆孔綜合柱狀圖，對91310 工作面綜合柱狀圖進(jìn)行繪制，如圖2所示。依此頂板巖層結(jié)構(gòu)為依據(jù)，進(jìn)行預(yù)裂爆破工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。

2 沿空留巷支護(hù)技術(shù)方案

2.1 切頂留巷工藝過程

圖2 91310工作面巖層綜合柱狀圖

切頂卸壓留巷施工工藝包括超前采煤工作面的恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、預(yù)裂爆破、工作面后方巷旁擋矸支護(hù)、巷內(nèi)臨時支護(hù)等工藝，各施工工藝順序?yàn)椋孩俪安擅汗ぷ髅娌恍∮?00m，施工恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；②超前工作面使用切縫鉆機(jī)施工聚能爆破鉆孔，超前采煤工作面不小于50m，依次進(jìn)行預(yù)裂爆破，形成切頂卸壓預(yù)裂切縫線；③工作面推進(jìn)過程中，緊跟工作面支架，按設(shè)計(jì)位置進(jìn)行擋矸支護(hù)；④巷旁擋矸支護(hù)安裝完成后，立即進(jìn)行該斷面巷道的臨時支護(hù)施工。

2.2 留巷支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

為了保證頂板切割效果和周期來壓階段圍巖的穩(wěn)定性，在對91220巷預(yù)裂爆破切頂前使用恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)巷道目前支護(hù)參數(shù)、頂板巖層分布情況及恒阻錨索支護(hù)范圍至少超出切縫孔深度1m 的原則，設(shè)計(jì)恒阻錨索長度為8.3m，直徑21.8mm。

頂板共打設(shè)2列恒阻錨索，錨索直徑為21.8mm，長度為8.3m，第一排恒阻錨索距留巷幫0.6m，排距1m；第二排恒阻錨索距第一排恒阻錨索間距1.3m，排距2m；恒阻錨索全部垂直頂板打設(shè)，托板采用300mm×300mm×16mm 的平鋼板。沿空留巷段恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)如圖3所示。

2.3 巷道臨時支護(hù)

圖3 91220巷恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)與臨時支護(hù)圖

根據(jù)工作面回采過程中巷道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，將采面附近區(qū)域劃分兩個階段：超前支護(hù)段（超前工作面0～30m），滯后維護(hù)段（架后0～170m），不同階段采取針對性的支護(hù)措施。①超前支護(hù)段：采用單體支柱配合π型梁以“一梁三柱”方式進(jìn)行超前支護(hù)。π型梁長3.5m，靠近留巷側(cè)第一列單體柱距回采幫700mm，與第二列單體柱間距1.6m，第二列單體柱與第三列單體柱間距1.5m，排距1.0m；②架后維護(hù)區(qū)：采用單體柱+π型梁“一梁四柱”對頂板進(jìn)行架后加強(qiáng)支護(hù)。即在超前支護(hù)的基礎(chǔ)上，在原第一列和第二列單體柱之間再增加1列單體支柱，新增加單體柱位于原第一列和第二列中間位置排距1.0m；由于工作面回采長度僅有170m，臨時支護(hù)在巷道復(fù)用時，隨著相鄰的91308工作面回采逐步回收。

2.4 采空區(qū)擋矸支護(hù)

采空區(qū)擋矸支護(hù)采用單體液壓支柱+U 型鋼可縮支柱緊壓鋼筋網(wǎng)進(jìn)行，在巷道采面?zhèn)葞脱厍许斁€布置一列單體支柱，與U型鋼可縮支架交替布置，單體柱間距、U型鋼可縮支架間距均為0.5m，單體柱與U型鋼支架間距為250mm。U型鋼內(nèi)掛鋼筋網(wǎng)防止矸石竄入巷道。架后擋矸支護(hù)圖如圖4所示。

3 預(yù)裂爆破切頂工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

綜合井下生產(chǎn)條件、頂板巖性、頂板爆破預(yù)裂切縫效果、打眼速度以及現(xiàn)場爆破參數(shù)試驗(yàn)等因素，確定爆破切頂參數(shù)如圖5所示。每排布置1個爆破鉆孔，排距0.5m，在距回采幫距離200mm 位置開孔，鉆孔直徑40mm，長度7.3m，仰角15°。

采用D 型聚能管，外徑28mm，管長2000mm，長度可以根據(jù)現(xiàn)場情況而調(diào)整。爆破切頂采用礦用三級乳化炸藥，炸藥直徑φ=32mm，長l=200mm，重量m=200g，將炸藥均勻裝在聚能管內(nèi)，每孔使用3 根聚能管裝藥，每根1.5m，裝藥長度4.5m，封孔長度2.5m，裝藥量按0.4kg/m 計(jì)算，加上孔底1 卷加強(qiáng)藥卷，每孔裝藥量約為2kg。見圖6。

圖4 91220巷架后擋矸支護(hù)圖

4 留巷效果考察與分析

在沿空留巷內(nèi)布置礦壓監(jiān)測點(diǎn)，對巷道變形、受力進(jìn)行監(jiān)測，從而對留巷效果進(jìn)行評價。

圖5 鉆孔布置參數(shù)示意圖

根據(jù)切頂留巷圍巖變形、單體支柱壓力和活柱縮量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，巷道臨空側(cè)受力大于煤柱側(cè)，巷道圍巖變形以頂板下沉為主，最大沉降量為155mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?48mm，兩幫最大移近量為294mm，從留巷開始至復(fù)用結(jié)束頂板最大累計(jì)沉降量為188mm，頂?shù)装逡平孔畲罄塾?jì)為271mm，兩幫最大移近量累計(jì)為307mm，巷道變形量較小，滿足了下一工作面的使用要求。

圖6 沿空留巷現(xiàn)場效果圖