三交河礦“110 工法”無(wú)煤柱開(kāi)采方案設(shè)計(jì)研究

常月章

（山西汾河焦煤股份有限公司，山西 臨汾 041600）

1 概況

山西焦煤下屬霍州煤電集團(tuán)汾河焦煤股份有限公司三交河煤礦10-207 工作面地表相對(duì)位于劉家山村（已搬遷）東側(cè)，井下位于+850 m 水平南翼，位置詳見(jiàn)圖1。工作面埋深276～398 m，走向回采長(zhǎng)度為1 079.7 m，傾向長(zhǎng)度為223.1 m，10#煤厚1.4～2 m，平均煤厚1.8 m。10-2072 巷斷面設(shè)計(jì)為矩形，永久支護(hù)采用錨桿、鋼筋梯子梁、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。為保障“110 工法”在三交河礦首次應(yīng)用的效果和安全，需論證該工藝的經(jīng)濟(jì)合理性，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。

圖1 切頂留巷10-207 試驗(yàn)工作面平面位置圖（mm）

2 切頂留巷設(shè)計(jì)方案

2.1 定向預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)

采用聚能裝置定向爆破之后，裂紋會(huì)順著切縫的方向在頂板巖層中擴(kuò)展，促使頂板順利垮落。利用切頂后巖石垮落碎脹的特點(diǎn)，使切頂范圍內(nèi)巖層垮落后充滿整個(gè)采空區(qū)，對(duì)上位巖層起有效支撐作用。其切頂高度為[1]：

其中：M為煤厚；H1為頂板下沉量；H2為底鼓量；k為碎脹系數(shù)。根據(jù)掘進(jìn)資料顯示，10-207工作面頂板主要為砂巖、灰?guī)r，多為堅(jiān)硬巖層，故k取1.30，工作面采高H煤為2.0 m 時(shí)，計(jì)算可得H縫=6.67 m。結(jié)合順槽頂板巖性分布情況，切縫孔深設(shè)計(jì)為7 m（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)留巷順槽每50 m 鉆孔探測(cè)頂板巖性后確定具體切縫高度）。動(dòng)載模擬結(jié)果（圖2）顯示10°～20°的鉆孔角度有利于巷道穩(wěn)定，較小的切縫角度可以減少頂板懸臂梁長(zhǎng)度，切縫角度最終設(shè)計(jì)為15°。

圖2 動(dòng)載作用下兩幫動(dòng)力響應(yīng)情況

為達(dá)到較好的切縫效果，兩個(gè)鉆孔圍巖損傷深度不應(yīng)小于鉆孔間距，預(yù)裂孔間距可采用下式進(jìn)行判斷[2]：

式中：d為爆破鉆孔中心之間水平距離，mm；rd為孔半徑，mm；λ為側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/（1-μ）=0.43；P為鉆孔圍巖內(nèi)初始地應(yīng)力，MPa；Pb為預(yù)裂爆破時(shí)沖擊波最大壓力值，MPa；D0為巖層初始損傷參數(shù)；σt為抗拉強(qiáng)度，MPa；δ為應(yīng)力波衰減系數(shù)，δ=2-λ。頂板定向預(yù)裂鉆孔直徑為48 mm，即rd=24 mm，μ=0.3，P=19 MPa，Pb=2200 MPa，D0=0.6，σt=1.2 MPa，代入公式（2）計(jì)算得d≤624 mm。10-207 工作面頂板為復(fù)合頂板，根據(jù)上式計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)爆破鉆孔間距為500 mm。鉆孔布置詳情如圖3。

圖3 10-2072 巷聚能爆破切頂斷面示意圖（mm）

特制聚能管外徑42 mm、內(nèi)徑36.5 mm。受深孔高應(yīng)力及鉆孔角度偏差影響，孔底難劈裂，因而炮孔底部裝藥量大，裝藥量約為3～5 卷，卷炮孔口處裝藥量小，裝藥量約為1～2 卷。各方案裝藥結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。裝藥結(jié)構(gòu)具體如下（采用礦用乳化炸藥，Φ35 mm，長(zhǎng)度為300 mm）：每孔4 根聚能管，首先采用2+2+2+1 的裝藥方式。

表1 順槽爆破試驗(yàn)方案

2.2 弱化爆破設(shè)計(jì)

10#煤層基本頂為強(qiáng)度較高的K2 灰?guī)r，為更優(yōu)化便于頂板垮落，初步設(shè)計(jì)在留巷側(cè)每隔5 m 施工20 m 長(zhǎng)（垂向距離為17.32 m）的炮孔，具體孔深根據(jù)頂板K2 灰?guī)r深度確定，傾向于工作面與垂線夾角25°～30°，進(jìn)行深孔爆破，如圖4 所示。根據(jù)已有的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[3-4]，設(shè)計(jì)炮孔直徑50 mm，封孔長(zhǎng)度3 m，間距5 m。炮孔位于距離巷道頂板下方工作面?zhèn)?00 mm。

圖4 工作面綜合柱狀圖及弱化鉆孔布置示意圖

2.3 恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)加固設(shè)計(jì)

為提高切頂期間頂板的穩(wěn)定性，提前采用恒阻錨索對(duì)頂板進(jìn)行加固，靠近切縫側(cè)錨索與水平方向垂直布設(shè)，巷道頂板側(cè)錨索垂直于巷道頂板布設(shè)，設(shè)計(jì)錨索8.3 m。10-2072 巷錨索共布設(shè)三列，第一列為恒阻錨索，距回采幫700 mm，排距1200 mm；第二列為恒阻錨索，距第一列恒阻錨索1200 mm，排距為2400 mm；第三列恒阻錨索距第二列恒阻錨索1200 mm，排距2400 mm。斷面圖如圖5（a），平面圖如圖5（b）。恒阻錨索沿切縫側(cè)一列采用W鋼帶配合托盤連接，第二、三列恒阻錨索采用橫向W 鋼帶配合托盤連接。

圖5 10-2072 巷錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)圖（mm）

2.4 臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

工作面推進(jìn)過(guò)程中，不同位置巷道受采動(dòng)影響不同。工作面超前段會(huì)受到超前壓力的影響，超前支護(hù)長(zhǎng)度不小于30 m。工作面回采后，巷道實(shí)體煤側(cè)失去支護(hù)，采空區(qū)頂板冒落，因此滯后回采工作面一定距離范圍內(nèi)不僅需要進(jìn)行頂板的支護(hù)也需要擋矸支護(hù)。巷道滯后工作面距離較遠(yuǎn)時(shí)，圍巖基本穩(wěn)定，此時(shí)可進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)措施的回撤，保留擋矸支護(hù)即可。據(jù)此設(shè)計(jì)10-2072 巷留巷臨時(shí)支護(hù)方案：1）超前支護(hù)區(qū)（回采工作面前方0～30 m）：采用原有的單體液壓支柱架棚支護(hù)方式。2）架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)（架后0～200 m）：采用門式支架，排距1200 mm。3）成巷穩(wěn)定區(qū)（架后200 m 之后）：此段巷道，切落成巷幫在頂板不斷下沉過(guò)程中逐漸壓實(shí)，可將頂板臨時(shí)支護(hù)設(shè)備撤掉。

3 施工順序

“110 工法”留巷總體施工過(guò)程如圖6。第一步：恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)，并沿巷道走向增加槽鋼。第二步：頂板預(yù)裂爆破。第三步：架后擋矸支護(hù)。工作面回采至留巷一側(cè)時(shí)，及時(shí)在留巷端頭支架后安設(shè)單體柱，在靠近采空區(qū)側(cè)鋪設(shè)風(fēng)筒布、鋼筋網(wǎng)、金屬網(wǎng)、安設(shè)門式支架和可縮性U 型鋼，間距500 mm。第四步：待沿空側(cè)巷道穩(wěn)定后，撤除巷幫及巷內(nèi)門式支架架柱，并對(duì)巷幫局部垮落片幫區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)單維修處理。

圖6 “110 工法”留巷總體施工過(guò)程

4 應(yīng)用效果分析

4.1 支護(hù)效果

在10-2072 巷留巷階段設(shè)置綜合礦壓監(jiān)測(cè)站，定期監(jiān)測(cè)沿空巷道的礦壓顯現(xiàn)特征。分析可知，在10-207 回采工作面后方20～60 m 范圍，采空區(qū)頂板垮落快速增加，頂板活動(dòng)較劇烈，沿空巷道圍巖變形量迅速增大；滯后回采工作面60～90 m 范圍，采空區(qū)頂板基本垮落完畢，巷道表面變形速度逐漸減小。留巷圍巖穩(wěn)定后，頂?shù)装逡平吭?00～300 mm，兩幫移近量在250～400 mm，可滿足服務(wù)于下區(qū)段回采工作面的斷面需求，留巷支護(hù)效果良好。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

10-2072巷沿空留巷綜合成本約為3 832.4元/m，參照掘進(jìn)巷道成本3500 元/m 計(jì)算，留巷直接增加投入為：3 832.4-3500=332.4 元/m。10-2072 巷留巷864.4 m，工作面煤層均厚1.8 m，密度1.45 t/m3，相較原設(shè)計(jì)20 m 的護(hù)巷煤柱，煤柱資源45 121.7 t左右，回收率按75%計(jì)算，則多采出煤炭資源33 841.3 t。按噸煤利潤(rùn)200 元計(jì)，開(kāi)采煤柱增加收益677 萬(wàn)元，減去每米留巷增加的成本，沿空留巷每米效益為7 497.6 元。沿空留巷經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5 結(jié)論

以“110 工法”在三交河礦10-207 工作面的應(yīng)用為背景，分析確定合理切頂高度為7 m、切縫角度為15°，確定爆破孔間距500 mm，設(shè)計(jì)對(duì)比了不同裝藥參數(shù)的爆破試驗(yàn)方案，確定最佳的裝藥量與封泥長(zhǎng)度；根據(jù)巷道頂板巖層賦存情況，設(shè)計(jì)頂板爆破弱化孔參數(shù)，取得較好的安全、經(jīng)濟(jì)效益。