陶二礦切頂卸壓沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用

劉樹輪

（冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056300）

0 引言

傳統(tǒng)的雙巷留煤柱工作面布置模式不利于提高煤炭資源回收率，在深部煤層開采過程中極易誘發(fā)應(yīng)力集中釋放，造成沖擊事故。在對煤炭的安全高效開采工作的探索中，何滿潮院士提出了“110 工法”無煤柱開采技術(shù)[1-2]，該工法不僅有利于提升煤炭資源的回收水平，同時(shí)在特定情況下降低了井下煤巖體地應(yīng)力釋放。伴隨“110 工法”的大量實(shí)踐，眾多專家、技術(shù)人員對切頂卸壓沿空留巷方法及實(shí)施效果進(jìn)行了深入的總結(jié)分析。萬海鑫等[3]利用理論分析及數(shù)值模擬的方法研究了頂板爆破卸壓的原理，總結(jié)歸納了切頂卸壓后留巷頂幫巖體演化變形特征，提出了“超前爆破預(yù)裂頂板結(jié)合液壓支柱配合鉸接頂梁”的綜合留巷支護(hù)技術(shù)方案；趙斌等[4]嘗試?yán)镁勰鼙破鞑模Y(jié)合高恒阻大變形NPR 錨索對厚硬砂巖頂板進(jìn)行切頂卸壓，以降低圍巖的局部應(yīng)力釋放，為厚硬砂巖頂板切頂卸壓沿空留巷提供了爆破、支護(hù)材料方面的有益嘗試。以上研究均為切頂卸壓模式下的沿空留巷積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文通過陶二礦1223 工作面皮帶巷切頂卸壓沿空留巷的成功應(yīng)用，為邯邢地區(qū)厚層堅(jiān)硬砂巖頂板條件下切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的推廣提供有益參考。

1 切頂卸壓沿空留巷理論模型及技術(shù)路線

1.1 理論模型

回采工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，是在對采面外段兩巷實(shí)施超前支護(hù)的基礎(chǔ)上，通過提前在兩巷外段靠采面一側(cè)頂板布置預(yù)裂鉆孔，對工作面頂板進(jìn)行定向爆破，制造規(guī)則頂板切割線，進(jìn)而切斷老空區(qū)與留巷頂板之間的連接，有效釋放沿空留巷段圍巖集中應(yīng)力的一種頂板控制技術(shù)[5-7]。隨采面推進(jìn)，空區(qū)頂板懸露面積加大，在采面頂板周期來壓的作用下，工作面兩巷靠空區(qū)側(cè)頂板巖石離層，沿規(guī)則頂板切線處垮落，進(jìn)而成為沿空巷道的一幫[8]，待垮落體穩(wěn)定后補(bǔ)強(qiáng)該側(cè)巷幫支護(hù)，確保留巷段頂幫加固可靠，進(jìn)而達(dá)到安全、穩(wěn)定留巷的目的[9]。

1.2 技術(shù)路線

在工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)中有2 個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)，即支護(hù)與切頂，均與施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件有關(guān)。因此，方案設(shè)計(jì)及施工過程中，應(yīng)考慮結(jié)合陶二礦1223 工作面地質(zhì)開采條件進(jìn)行。1223工作面開采煤層為2 號煤，為邊角煤開采工作面，埋深350.4 ～396.3 m，工作面煤層傾角平均為13°，煤厚2.5～3.5 m，工作面為綜合機(jī)械化采煤，頂板管理方法為全部垮落法。2 號煤上局部發(fā)育平均厚0.2 m 的炭質(zhì)泥巖偽頂；煤層基本頂為厚6.7 m 的細(xì)粒砂巖，細(xì)粒砂巖巖石抗壓強(qiáng)度較高（大于90 MPa），煤層較厚且頂板巖層較硬。為提高頂板預(yù)裂效果，嘗試?yán)枚ㄏ蚓勰苣Ｊ竭M(jìn)行預(yù)裂爆破，具體通過“施工預(yù)裂深孔、埋定向切縫管結(jié)合不耦合裝藥”的施工工序?qū)敯暹M(jìn)行預(yù)裂。結(jié)合細(xì)粒砂巖頂板巖石力學(xué)特征制作專用的定向切縫管，通過多次試驗(yàn)確定其裂縫尺寸規(guī)格。實(shí)際應(yīng)用表明，該輔助設(shè)備既方便深孔爆破裝藥，又可將爆破動能全部釋放于切縫方向，在指定方向集中釋放應(yīng)力，達(dá)到定向切割頂板的目的。

本文基于陶二礦2 號煤厚硬砂巖頂板條件，提出了“超前強(qiáng)化預(yù)裂段頂板、定向預(yù)裂爆破結(jié)合留巷段采空側(cè)補(bǔ)強(qiáng)”綜合切頂卸壓沿空留巷技術(shù)路線，如圖1 所示。

圖1 切頂卸壓沿空留巷綜合技術(shù)工藝示意Fig.1 Comprehensive technical process of gob-side entry retaining with roof cutting and pressure relief

具體施工步驟如下:①回采工作面正常推進(jìn)過程中，使用高預(yù)應(yīng)力錨索對皮帶巷留巷處靠采面?zhèn)软敯鍙?qiáng)化支護(hù)；②自支架切頂線到留巷強(qiáng)化支護(hù)段的頂板，施工定向預(yù)裂爆破切縫炮孔，完孔后裝藥，嚴(yán)格按程序?qū)嵤╊A(yù)裂爆破，確保預(yù)裂切頂線生成規(guī)則裂隙；③回采工作面正常推進(jìn)；④工作面推進(jìn)一定位置后，及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)采面皮帶巷端頭后方靠近空區(qū)一側(cè)支護(hù)，安設(shè)一定數(shù)量的支柱用于阻擋串矸進(jìn)入留巷，巷中搭設(shè)單體支柱與液壓抬棚，對皮帶巷留巷頂板進(jìn)一步加固，預(yù)裂后的頂板巖體在工作面周期來壓作用下會沿著定向切縫線斷裂回轉(zhuǎn)，進(jìn)而滑落為留巷的巷幫；⑤對1223 采面后方留巷段靠近老窯一側(cè)進(jìn)行防串、漏風(fēng)的密閉處理；⑥對皮帶巷留巷段進(jìn)行定期圍巖壓力監(jiān)測，在工作面空區(qū)頂板來壓釋放完全、巖體不再垮落之后，回收之前補(bǔ)強(qiáng)的支柱及抬棚等可重復(fù)利用的設(shè)備。

2 切頂卸壓沿空留巷實(shí)施方案

2.1 超前強(qiáng)化預(yù)裂段支護(hù)

1223 工作面皮帶巷采用梯形巷道斷面，巷道凈規(guī)格4.5 m（寬） ×3.0 m（高），支護(hù)類型為錨網(wǎng)梁聯(lián)合支護(hù)。皮帶巷掘進(jìn)期間頂錨桿選用φ20 mm×2400 mm 的阻尼螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×900 mm，頂錨索選用φ17.8 mm×7920 mm鋼絞線，順巷3 列，隔1 架3 根，均勻布置。幫錨索選用φ15.24 mm×4200 mm 鋼絞線，間排距為800 mm×900 mm，幫部頂角和底角錨索距頂、底均不大于300 mm。

回采過程中，在工作面推進(jìn)方向一定范圍內(nèi)，對留巷的皮帶巷進(jìn)行超前強(qiáng)化支護(hù)。具體形式為，在原有的錨網(wǎng)梁聯(lián)合支護(hù)的基礎(chǔ)之上，將原隔架錨索補(bǔ)齊，并在靠近采空區(qū)邊緣側(cè)進(jìn)行長預(yù)應(yīng)力錨索+W 鋼帶加固支護(hù)，錨索選用φ21.8 mm×10000 mm 鋼絞線，錨索間距為800 mm，要求錨索漲拉力不小于40 MPa，施工超前于工作面不小于60 m。

2.2 施工定向預(yù)裂爆破

在充分掌握施工現(xiàn)場圍巖巖性及巖石物理特征的基礎(chǔ)上，合理確定定向預(yù)裂切縫爆破參數(shù)，通過預(yù)裂切縫爆破達(dá)到把采場頂部的基本頂有規(guī)則切斷的目的，并確?？迓鋷r體均勻充滿老塘空間。

（1） 鉆孔深度為8.0 m、鉆孔間距為0.5 m、鉆孔直徑為48 mm，鉆孔布置于采煤側(cè)巷道頂板，沿皮帶巷走向呈直線均勻分布；鉆孔垂向上朝工作面煤體偏斜25°，水平方向上與巷道走向垂直；選用礦用三級乳化炸藥，單孔裝藥量12 卷，藥卷規(guī)格為32 mm×200 mm，單卷質(zhì)量200 g。

（2） 裝藥結(jié)構(gòu)。為裝藥方便的同時(shí)，確保預(yù)裂效果，采用特殊設(shè)計(jì)的定向切縫管作為爆破孔內(nèi)裝藥的載體，管體為雙抗PE 材料，切縫管規(guī)格為35 mm（直徑） ×3 m（管長），管軸表面設(shè)計(jì)有距管一端320 mm 均勻分布的4 個(gè)矩形孔，矩形孔規(guī)格為3 mm（高） ×500 mm（長），孔間距為400 mm（圖2）。每個(gè)預(yù)裂鉆孔內(nèi)填裝3 套預(yù)裂切縫管，炸藥可填充于套管內(nèi)，正向填裝，炸藥間為不耦合空氣包間隔。同時(shí)，為裝藥方便并確保爆破能量釋放充分完全，采用削尖木楔填塞第一套預(yù)裂切縫管端部，每個(gè)預(yù)裂孔內(nèi)采用2 根礦用毫秒延期電雷管、1 根安全導(dǎo)爆索連線起爆。實(shí)際施工中，要確保導(dǎo)爆索插入到預(yù)裂孔底部第一卷藥卷內(nèi)，2 根電雷管1 根插到預(yù)裂孔底部第二卷藥卷內(nèi)、1 根插到預(yù)裂孔開口處第一卷藥卷內(nèi)。單節(jié)預(yù)裂管藥卷裝畢，用水炮泥將各預(yù)裂管隔離開，水炮泥封堵隔離長度不小于500 mm。詳細(xì)裝藥結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 定向切管結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Directional pipe cutting structure

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Instruction of charge structure

（3） 封孔結(jié)構(gòu)。為減少、緩沖預(yù)裂爆破時(shí)鉆孔縱軸方向產(chǎn)生的應(yīng)力波，降低爆破過程中的無效能量損失，充分提高預(yù)裂爆破效果，在留巷段定向預(yù)裂爆破過程中，爆破鉆孔封孔選取了“炮泥+水炮泥+炮泥”的封孔結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)單個(gè)預(yù)裂鉆孔封孔長度為4.3 m，自預(yù)裂孔孔底往外依次填入0.5 m炮泥、1.0 m 水炮泥、2.8 m 炮泥，用炮棍壓實(shí)。根據(jù)實(shí)施爆破效果，本次預(yù)裂施工采取同時(shí)起爆5 個(gè)預(yù)裂鉆孔的起爆方式。

2.3 補(bǔ)強(qiáng)工作面后方留巷段支護(hù)

工作面切頂線以里的老空留巷段采取打設(shè)靠幫密集木點(diǎn)柱，架設(shè)搭配鉸接梁的單體液壓支柱組合支護(hù)方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，如圖4 所示。為防止頂板來壓時(shí)垮落矸石涌入留巷，在工作面推采后，及時(shí)于工作面切頂線后方留巷段內(nèi)打設(shè)密排木點(diǎn)柱支護(hù)進(jìn)行擋桿，點(diǎn)柱安設(shè)時(shí)應(yīng)確保緊貼皮帶巷巷道上幫，安設(shè)柱距不小于500 mm，點(diǎn)柱間里側(cè)掛金屬方格網(wǎng)，用鉛絲捆綁，確保方格網(wǎng)與頂網(wǎng)重合搭接，長度不小于300 mm；同時(shí)，受采空區(qū)頂板離層、垮落影響，留巷段動壓明顯，且留巷段頂板在檐體張拉力的作用下變形量較大，因此，需要對工作面切頂線以里的留巷段頂板采取臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)措施，采用單體液壓點(diǎn)柱配合鉸接梁進(jìn)行支護(hù)，沿巷道方向打設(shè)2 排，距離巷道切縫線600 mm、1600 mm 布置，打設(shè)要求緊跟工作面下部端頭支架，確保有足夠的初撐力及工作阻力。

圖4 留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案示意Fig.4 Reinforcement support scheme for retaining roadway

3 沿空留巷效果分析

從現(xiàn)場觀測情況來看，沿空留巷的巷道頂板完整性較好，沒有出現(xiàn)較大的變形量；從切頂側(cè)看，隨著切頂處采空區(qū)冒落，巷道頂板沒有明顯下沉，說明切頂爆破有效，切頂卸壓成功。從錨索支護(hù)來看，支護(hù)能有效保證頂板完整，滿足頂板壓力要求；從巷道單體柱支護(hù)來看，壓力值隨著采空區(qū)冒落數(shù)值增加然后趨于平穩(wěn)。通過十字觀測法觀測巷道變形量來分析，巷道留巷一開始變形量較小，隨著周期來壓，巷道會有變形，之后趨于平穩(wěn)，平均巷道高度變形量有20 cm，巷道寬度變形量有10 cm（圖5），巷道寬度變形量主要來自煤幫一側(cè)受壓幫鼓。

圖5 留巷圍巖綜合變形量Fig.5 Comprehensive deformation of surrounding rock in retaining roadway

現(xiàn)場實(shí)際施工及后期巷道變形觀測情況表明，定向切頂預(yù)裂爆破能夠使留巷段頂板按預(yù)定的方向斷裂，采動后空區(qū)頂板能沿預(yù)裂面回轉(zhuǎn)垮落，進(jìn)而減少老空區(qū)檐體對留巷段頂板的壓力，實(shí)現(xiàn)卸壓的最終目的；同時(shí)，配合留巷段內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)組合支護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)了留巷段圍巖的快速穩(wěn)定，減小了巷道后期變形量。

4 結(jié) 論

（1） 針對陶二礦厚硬砂巖頂板難以自行垮落的實(shí)際，利用切頂卸壓方式在1223 工作面皮帶巷沿空留巷，根據(jù)切頂卸壓沿空留巷理論模型，提出了“超前強(qiáng)化預(yù)裂段頂板、定向預(yù)裂爆破結(jié)合留巷段采空側(cè)補(bǔ)強(qiáng)”一整套綜合切頂卸壓沿空留巷技術(shù)路線。

（2） 依據(jù)沿空留巷技術(shù)路線，提出了具體的切頂卸壓、留巷補(bǔ)強(qiáng)施工方案，預(yù)裂爆破使用定向聚能切縫管、深孔不耦合裝藥方式、一次多孔起爆方法，提高了預(yù)裂切頂效果；采用長預(yù)應(yīng)力錨索+W 鋼帶超前強(qiáng)化預(yù)裂段支護(hù)，保證了留巷頂板的完整性；工作面后方沿空留巷采用柱距0.50 m 貼幫密集木點(diǎn)柱、單體液壓支柱配合鉸接梁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，減少了留巷后期圍巖變形。

（3） 現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用表明，爆破切頂后巷道頂板能按預(yù)定方向切縫，切頂效果良好；切頂過程中，巷道備修段圍巖變形率較?。煌撇珊?，留巷支護(hù)效果良好，達(dá)到了留巷的目的。