切頂卸壓技術(shù)在窄煤柱沿空掘巷中的應(yīng)用

閆小濱

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司漳村煤礦，山西 長治 046000）

為緩解礦井接續(xù)緊張局面，提高煤炭資源回收率，煤礦沿空掘巷和沿空留巷技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。在施工過程中，兩種施工方式下巷道均會受到頂板懸臂梁應(yīng)力作用影響。為保證施工安全，需提前采取一定措施加強(qiáng)頂板支護(hù)和控制。漳村煤礦根據(jù)井下工作面地質(zhì)條件及實(shí)際開采情況，對巷道沿空掘進(jìn)施工方式進(jìn)行了合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過在現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐，取得了良好效果。

1 工程概況

漳村煤礦主采3#煤層，煤層厚度4.6～7.6 m，平均厚度5.4 m。3103 工作面位于該礦井東翼采區(qū)，工作面東為井田邊界保護(hù)煤柱，西鄰采區(qū)軌道、膠帶、回風(fēng)上山保護(hù)煤柱，南為3105 備用工作面（未開采），北臨3101 工作面采空區(qū)，如圖1。3103工作面設(shè)計(jì)走向長820 m，傾斜寬180 m，采用綜采一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理采空區(qū)頂板，工作面煤層結(jié)構(gòu)較簡單。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 3103 工作面煤層頂?shù)装鍘r性

圖1 3103 工作面布置圖

2 巷道施工方案技術(shù)思路

沿空巷道兩種施工方式中，受懸臂梁作用影響較大的是沿空留巷。在沿空留巷過程中，往往會發(fā)生巷道變形嚴(yán)重、采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)、有害氣體聚集等問題，需要采取強(qiáng)化支護(hù)等綜合措施，造成巷道后期維護(hù)量增大、維護(hù)成本增高。沿空掘巷方式是沿著采空區(qū)側(cè)留設(shè)一定寬度的煤柱進(jìn)行巷道掘進(jìn)施工，當(dāng)留設(shè)煤柱寬度較大時(shí)，在巷道掘進(jìn)過程中可避開懸臂梁結(jié)構(gòu)形成的高應(yīng)力區(qū)域，也可在采空區(qū)側(cè)形成有效密閉，減少采空區(qū)漏風(fēng)和采空區(qū)內(nèi)有毒有害氣體溢出，但將會造成煤炭資源大量浪費(fèi)；當(dāng)留設(shè)窄煤柱時(shí)，掘進(jìn)巷道一直處于長懸臂梁結(jié)構(gòu)形成的高應(yīng)力影響區(qū)域范圍內(nèi)，導(dǎo)致巷道頂板圍巖應(yīng)力大，造成巷道變形速度快且變形量大。由于懸臂梁結(jié)構(gòu)從發(fā)生回轉(zhuǎn)破壞變形到恢復(fù)到原始應(yīng)力狀態(tài)通常需要6 個(gè)月以上，時(shí)間較長，對礦井采掘接替造成影響。為實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效開采，亟需研究解決采用留設(shè)窄煤柱巷道進(jìn)行沿空掘進(jìn)施工時(shí)出現(xiàn)的懸臂梁結(jié)構(gòu)問題。

依據(jù)切頂短臂梁結(jié)構(gòu)理論，開展切頂卸壓窄煤柱沿空掘進(jìn)施工技術(shù)研究。結(jié)合礦井地質(zhì)條件及實(shí)際開采情況，提出預(yù)裂爆破切頂卸壓窄煤柱沿空掘巷技術(shù)方案。在巷道掘進(jìn)施工過程中，在鄰近采空區(qū)側(cè)的巷道頂板施工預(yù)裂鉆孔對頂板進(jìn)行爆破預(yù)裂，將采空區(qū)側(cè)頂板懸臂梁結(jié)構(gòu)切斷，使其頂板及時(shí)垮落，減小煤柱承載的頂板應(yīng)力，從而有效降低沿空掘巷巷道施工及維護(hù)難度。

3 切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)原理及技術(shù)方案

3.1 技術(shù)原理

切頂卸壓技術(shù)是基于工作面采空區(qū)頂板破斷垮落變化規(guī)律分析，通過在巷道內(nèi)靠近采空區(qū)側(cè)超前施工預(yù)裂爆破鉆孔對頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破，破壞采空區(qū)頂板長懸臂梁結(jié)構(gòu)，使長懸臂梁轉(zhuǎn)變成短懸臂梁，降低或消除長懸臂梁對掘進(jìn)巷道的影響作用，達(dá)到切頂卸壓的效果[1-5]。因頂板巖層抗壓能力較強(qiáng)，但抗拉能力較弱，通過在巷道頂板上選取合適位置設(shè)計(jì)預(yù)裂切縫線，沿切縫線布置施工預(yù)裂鉆孔，鉆孔終孔位置設(shè)計(jì)布置在基本頂巖層中，采用雙向聚能管進(jìn)行預(yù)裂爆破，使頂板巖層沿著設(shè)定的方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成預(yù)裂面，將頂板圍巖應(yīng)力提前進(jìn)行釋放，將采空區(qū)側(cè)頂板懸臂梁結(jié)構(gòu)在煤柱上形成的圍巖應(yīng)力切斷，對頂板圍巖應(yīng)力進(jìn)行卸壓，減小煤柱受力強(qiáng)度，有效改善巷道圍巖狀況，減小了巷道支護(hù)和后期維護(hù)難度。技術(shù)原理如圖2。

圖2 切頂卸壓技術(shù)原理

3.2 切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)方案

漳村煤礦在以往巷道沿空掘進(jìn)過程中一般都采用留設(shè)30 m 寬煤柱進(jìn)行掘進(jìn)施工，從而導(dǎo)致煤炭資源被大量浪費(fèi)。結(jié)合巷道地質(zhì)條件和實(shí)際開采情況，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，在3101 工作面進(jìn)風(fēng)巷采用預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)切斷頂板，在3103 工作面回風(fēng)巷沿空掘進(jìn)期間留設(shè)6 m 寬窄煤柱，在其掘進(jìn)施工過程中在巷道內(nèi)采用恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，確保巷道支護(hù)安全。

3.2.1 工作面預(yù)裂爆破技術(shù)參數(shù)確定

（1）切縫深度設(shè)計(jì)

基本頂作為傳遞工作面煤層頂板壓力的巖梁，在工作面煤柱支撐作用下形成頂板懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此是切頂卸壓選擇的主要目標(biāo)層位[6]。為最大限度縮短巷道懸臂梁結(jié)構(gòu)的長度，減小煤柱承壓載荷，預(yù)裂爆破切縫應(yīng)靠近煤柱側(cè)設(shè)計(jì)布置。為使切縫后頂板順利垮落，提高切頂卸壓效果，本次設(shè)計(jì)切縫采用的是豎直切縫。切縫深度（H縫）可用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：H煤為工作面平均開采高度，取5.4 m；ΔH1為工作面頂板下沉量，mm；ΔH2為工作面底板底鼓量，mm；K為巖石碎脹系數(shù)，一般為1.3～1.5。

根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)條件及開采情況，本文巖石碎脹系數(shù)取1.5，同時(shí)在不考慮工作面巷道頂?shù)装逑鲁梁偷坠淖冃蔚那闆r下，按照公式（1）計(jì)算得出，H縫=10.8 m，本文設(shè)計(jì)時(shí)取11 m。

（2）爆破孔間距設(shè)計(jì)

爆破孔間距（a）可按照公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：f為巖石普氏硬度系數(shù)，取8；r0為爆破鉆孔半徑，取0.025 m；K為巖石斷裂韌度，取12。

將上述參數(shù)代入到公式（2）計(jì)算可得，a=600 mm，即爆破鉆孔間距設(shè)計(jì)為600 mm。

（3）爆破孔裝藥量

設(shè)計(jì)采用特制雙向聚能管，該聚能管長1.5 m，內(nèi)徑36.5 mm，外徑42 mm，炸藥選用三級煤礦許用乳化炸藥，單卷炸藥直徑為28 mm，長度為200 mm，每個(gè)爆破鉆孔裝填18 卷炸藥，采用炮泥進(jìn)行封孔，單孔封孔長度不低于2.5 m。

3.2.2 巷道錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

3103 工作面回風(fēng)巷沿空掘進(jìn)期間，頂板設(shè)計(jì)采用Φ21.8 mm×8000 mm 恒阻錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索采用3-2-3 方式進(jìn)行布置，間距為1.2 m 和1.7 m，排距為2 m，恒阻器規(guī)格為Φ79 mm×500 mm。

巷道兩幫設(shè)計(jì)布置2 排錨索，錨索間距為1.3 m，排距為2.4 m，其中上排錨索設(shè)計(jì)采用規(guī)格為Φ17.8 mm×6000 mm 普通錨索，距頂0.7 m，仰角30°；下排錨索設(shè)計(jì)采用規(guī)格為Φ17.8 mm×4000 mm 普通錨索，錨索距巷道頂板2 m，與巷幫呈90°夾角。巷道錨索支護(hù)布置示意圖如圖3。

圖3 巷道恒阻錨索支護(hù)示意圖（mm）

4 應(yīng)用效果

（1）采用十字布點(diǎn)法在3103 工作面回風(fēng)巷設(shè)置3 個(gè)觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)間距50 m，在每個(gè)觀測點(diǎn)安裝一個(gè)WBY-10 頂板離層儀對頂板離層進(jìn)行監(jiān)測。通過觀察記錄分析可知，巷道頂板離層儀淺基點(diǎn)變化量低于20 mm，深部基點(diǎn)基本未發(fā)生變化。采用錨索測力計(jì)對巷道頂部和幫部錨索進(jìn)行拉拔力測試發(fā)現(xiàn)，頂部錨索阻力未產(chǎn)生變化，幫部錨索增阻9 kg。

（2）通過對巷道頂?shù)装逦灰屏亢蛢蓭鸵平孔兓闆r進(jìn)行觀測，巷道頂?shù)装逦灰屏繛?20 mm，兩幫移近量為210 mm。

（3）通過與原留設(shè)30 m 寬煤柱沿空掘巷情況對比分析，采用切頂卸壓窄煤柱沿空掘巷技術(shù)配合恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)后，煤柱寬度減少了24 m，多采出煤炭14.88 萬t，同時(shí)減少了后期巷道維護(hù)人員和材料投入，經(jīng)濟(jì)效益總體增加約1.2 億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)語

漳村煤礦在3101 工作面進(jìn)風(fēng)巷應(yīng)用預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)和在3103 工作面采用窄煤柱沿空掘巷配合恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，縮短了采空區(qū)懸臂梁長度，減小了煤柱承載的頂板壓力。根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用該技術(shù)后，沿空掘進(jìn)的巷道圍巖變形量較小，均在可控范圍內(nèi)，減少了后期巷道維修人員投入和材料投入，取得了良好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益，為類似條件工作面沿空掘巷提供了技術(shù)參考。