110工法在陜北榆橫礦區(qū)的應用

張海龍

（陜西中太能源投資有限公司）

1 工作面概況

朱家峁煤礦為低瓦斯礦井，1310 工作面揭露煤層為早二迭系延安組的3#煤層，以亮煤為主，次為暗煤，煤層結構較簡單，厚度較穩(wěn)定，一般含夾矸1 層，夾矸為褐灰色粉砂巖。煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育，黃鐵礦薄膜充填。煤層傾角0°～0.6°，煤層平均厚度1.8 m，埋深相對較淺，屬于近水平淺埋煤層。1310 工作面無煤柱自成巷留巷位置如圖1所示，本次切頂留巷設計為3#煤層1310 工作面回風巷，供下一工作面1308工作面使用，具體留巷距離根據(jù)現(xiàn)場材料準備和生產(chǎn)情況確定。

2 切頂預裂方案設計

2.1 技術原理

采用恒阻大變形錨索加強工作面推進前的巷道支護，將雙向聚能拉伸爆破技術應用于工作面一側巷道附近實施頂板預裂爆破，形成一個結構弱面，改變頂板的應力傳遞路徑使頂板快速垮落［8］。雙向聚能拉伸爆破技術，恒阻大變形錨索支護技術在地下巷道工程中得到了廣泛應用，能有效維護頂板巖層完整及巷道采場一側頂板內(nèi)移動巖層組別的變化，增加了垮落帶巖層厚度的同時，通過對上覆巖體應力分布和破壞規(guī)律研究，確定采空區(qū)上方頂板來壓強度及范圍。

工作面開始推進之后，切縫側附近采場上部“垮落帶的巖層”受采場周期性壓力影響垮落，為此通過巷旁支護技術的應用，確?？迓漤肥軌蜃詣咏M成巷幫。采空區(qū)矸石由于本身具有碎脹特性，能填充采空區(qū)，迅速形成基本頂?shù)谝灰苿訋r梁支撐結構；由于基本頂具有一定的彈性變形能力，可以將基本頂視為一個整體來考慮其受拉破壞情況。在基本頂出現(xiàn)破裂或者沉降的情況下，頂板斷裂部位一般位于切縫線一側。因此，將基本頂巖塊作為切縫單元來模擬巷道圍巖變形破壞過程中所產(chǎn)生的應力變化情況，基本頂巖塊將隨采空區(qū)之上巖塊移動。

切頂完成后，切頂短臂梁結構、采空區(qū)矸石垮落堆積及強化支護措施三者有效結合，改善沿空留巷穩(wěn)定性；采空區(qū)頂板垮落、碎脹達到穩(wěn)定狀態(tài)后，可拆除巷旁和巷內(nèi)支護材料，根據(jù)防漏風防滅火要求采取噴漿封閉措施。切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術原理如圖2所示。

2.2 切縫設計

根據(jù)切頂卸壓沿空留巷技術原理并結合理論分析及榆橫礦區(qū)工程地質(zhì)條件，確定榆橫礦區(qū)厚層砂巖頂板無煤柱自成巷平衡開采關鍵切縫參數(shù)，包括切頂高度、切縫角度等。

2.2.1 切頂高度

切頂高度就是在煤層頂板上預裂爆破產(chǎn)生定向切割的裂隙，由頂板向切縫方向發(fā)展的垂直最大距離。在卸壓無煤柱自成巷工藝中，定向爆破對順槽頂板的切割作用處于核心地位，且足夠高度的切縫能夠使矸石順利切落，采空區(qū)上方老頂巖梁移動。

新增鉆孔水位與庫水位存在較強相關性。D2、D1相關系數(shù)為負值，說明該處巖體通透性良好，巖體內(nèi)水壓力可迅速降低。有利于巖體穩(wěn)定，通過2016年外部變形監(jiān)測數(shù)據(jù)比較，右岸山體特征形變量小于左岸，與左岸鉆孔相關系數(shù)正值形成鮮明對比。

工作面開始推進后，直接頂失去沿空留巷的側向邊界約束，發(fā)生垮落，且基本頂出現(xiàn)遠距離懸頂，使之支護難度加大。采用聚能預裂爆破技術，可縮短基本頂側向懸臂長度，使得巖層斷裂線總體上遷移到采空區(qū)一側，從而有效地減緩了留巷圍巖受力。

切頂預裂可以保證采空區(qū)的頂板順利垮落，考慮到巖體的碎脹性，切頂高度的計算公式：

式中，HF為切頂高度，m；K為碎脹系數(shù)；ΔH1和ΔH2分別表示頂板和底板的變形量，m；M為可采煤層高度，m。

依據(jù)頂板巖性，本次設計K取值為1.38，當不計底鼓和頂板下沉，采高達到最大值M后，結合頂板巖性和以往施工經(jīng)驗將預裂切縫孔的深度設計成HF=7.0 m。

2.2.2 切縫角度

切頂角度指預裂爆破生成的預裂面與巷道采空側頂板垂直方向的夾角，該預裂面保證了回采結束時頂板的平穩(wěn)垮落。當爆破切縫達到基本頂巖層時，預裂面外側巖塊仍會向側向頂板施加載荷，導致采空側巷壁空隙過大，卸壓不充分，嚴重影響沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性和成巷質(zhì)量。

基本頂在隨工作面推進而發(fā)生破斷時，巖塊間互相咬合形成穩(wěn)定砌體梁結構并能有效地將受力傳遞給側向煤巖體。砌體梁結構對沿空留巷圍巖穩(wěn)定性將造成一定的影響。因此，在進行預裂爆破時，需要充分考慮基本頂?shù)那闆r，以避免產(chǎn)生不良影響；在采煤過程中，需要根據(jù)基本頂?shù)奶攸c采取相應的支護措施，以確保圍巖的穩(wěn)定性［9］。

如圖3 所示，巖塊A 和巖塊B 為圍巖結構中的關鍵塊，鍵塊B 沿切縫面下滑失穩(wěn)后，基本頂巖層才得以順利垮落卸壓，切頂卸壓無煤柱自成巷技術能夠有效地降低采空區(qū)頂板的應力，保證巷道的穩(wěn)定性和安全性。

根據(jù)砌體梁理論及圍巖結構S-R 穩(wěn)定原理可知巖塊出現(xiàn)滑落失穩(wěn)所需條件：

式中，θ表示切頂角度，（°）；φ表示巖塊間摩擦角，（°）；L和h分別表示巖塊的長度和厚度，m；T和R分別表示巖塊所受水平推力和剪切力，N；q表示巖塊豎直方向上的均布荷載，N/m。

由式（6）可知，三鉸拱巖塊結構穩(wěn)定性受基本頂厚度、巖塊長度、切頂角度及巖層摩擦角等因素影響。在切頂角度與巖層摩擦角相等的情況下，三鉸拱的巖塊結構失去了平衡?；卷攷r塊沿著切縫面被切割下來構成巷幫，切斷了側向塊體對留巷頂板的作用力傳遞途徑，實現(xiàn)了頂板的完全卸壓。但頂板側向懸臂長度將隨切頂角度增加而增大，對沿空留巷維護不利，當基本頂巖塊能夠順利垮落時，切頂角度要盡量小。

考慮到煤礦井下的環(huán)境濕度較高，根據(jù)相關研究，基本頂巖塊間的摩擦角取27°。將φ=27°，L=11 m，ΔS=1.37 m，h=12.4 m 代入式（6）可得θ≥15°，本文取15°。

2.2.3 定向預裂切縫效果檢測

頂板定向預裂切縫是切頂卸壓沿空自動成巷的基礎和關鍵，因此，必須對現(xiàn)場切縫效果進行檢測，以保證切頂卸壓和沿空自動成巷的成功。具體方法與要求如下：①對鉆孔編號后實施預裂爆破，并用鉆孔自動成像儀檢測鉆孔成孔效果及裂隙發(fā)育程度，要求角度誤差率K1≤10%，鉆孔平直率K2≤10%；②利用鉆孔窺視像儀對鉆孔內(nèi)部探測成像，從而檢測定向預裂縫孔內(nèi)的擴展情況，要求孔內(nèi)裂縫率K4≥90%；③裂隙探測儀深部圍巖探測，檢測孔間裂縫聯(lián)通和擴展情況，要求孔間裂縫率K5≥90%；④評估閉合臨界距離，以檢測從架后到完全垮落處的距離，要求不大于20 m。

成孔后預裂爆破前進行鉆孔質(zhì)量檢測，定向預裂切縫后、回采前進行切縫效果檢測，不合格鉆孔必須及時在相鄰位置進行預裂切縫鉆孔和爆破施工，垮落成巷后對成巷效果和支架受力進行及時監(jiān)測。

2.3 恒阻大變形錨索支護設計

傳統(tǒng)錨索所能承受的變形量有限，無法承受頂卸壓無煤柱開采所造成的3次圍巖變形，包括預裂爆破應力波的作用、當前工作面采動影響的作用、下一個工作面回采過程中超前應力對其產(chǎn)生的作用。通過對恒阻大變形錨索支護機理研究，發(fā)現(xiàn)其可承受變形量遠大于傳統(tǒng)錨索，可以很好地應用于采用110工法的礦井。

切縫側為1310 工作面圍巖變形關鍵區(qū)域，將首先被爆破過程中沖擊能量摧毀，為此，切縫附近一側設置了恒阻大變形錨索，使其與頂板走向垂直。在1310 工作面回風巷加固布置2 列恒阻錨索、1 列普通錨索。第一排恒阻錨索距切縫鉆孔400 mm（距回采側煤幫500 mm），排距1 000 mm，恒阻錨索之間用W鋼帶連接（平行于巷道走向），錨索長度為9 300 mm；第二排恒阻錨索位于巷道中線上，排距為2 000 mm，錨索長9 300 mm。恒阻錨索的直徑為21.8 mm，恒阻值取330±20 KN，預緊力不得低于280 KN（圖4）。

2.4 臨時支護及擋矸支護技術

在對頂板進行預裂爆破后，采場頂板的冒落高度會相比傳統(tǒng)采煤工藝的較大，尤其在朱家峁煤礦厚層砂巖頂板的條件下，其垮落高度將會更大。在采場周期性壓力未來之前，其老頂會出現(xiàn)一定距離的懸頂，在周期來壓過后，上覆巖層會斷裂壓實已垮落矸石，此時，已垮落的矸石隨著老頂?shù)膩韷?，在沒有限制的情況下會涌入巷道，影響留巷效果，當頂板垮落重新壓實后，可回撤巷內(nèi)的部分支護措施，節(jié)約支護成本。

圖5為巷道不同位置臨時支護情況，超前支護區(qū)使用“一梁四柱”支護，架后臨時支護區(qū)使用單體支柱+工字鋼+U 型鋼（U29）臨時支護，單體棚排距離為1.0 m。為了防止擋矸結構側鼓，靠近碎石幫的單體支柱需要緊挨U 型鋼支護。成巷穩(wěn)定區(qū)的頂板已經(jīng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，因此可以逐步撤除臨時支護單體和∏型梁，回撤大部分支柱，只保留部分單體支柱和可伸縮U型鋼進行擋矸支護。

3 實施效果

朱家峁煤礦1310 工作面實施110 工法后，可多回收煤柱資源約8.03 萬t（煤柱長1 756 m）；可節(jié)約掘進一條回采巷道的成本（按巷道長度為1 800 m），以1310工作面6 400 元/m 綜合掘巷成本計算，可節(jié)約掘巷成本1 152萬元。

實施110 工法后，朱家峁煤炭資源的浪費得到了減少，回采工作面的可采儲量也增加了，煤炭的采出率提高了10%。并且通過切斷來壓時頂板的應力傳遞，降低對巷道圍巖的影響，有效減少了巷道變形，保障了礦井的安全生產(chǎn)。

4 結 論

在對榆橫礦區(qū)典型礦井工程地質(zhì)條件進行充分研究的基礎上，以該礦區(qū)朱家峁煤礦1310 工作面厚層砂巖頂板為背景，進行110工法實踐探索應用。通過采用雙向聚能拉伸定向爆破技術，能夠定向預裂頂板，使其得以有序垮落，從而確保了礦井的安全高效開采。應用恒阻大變形錨索支護，提高了地下工程圍巖的穩(wěn)定程度，消除了冒頂、底鼓等常見圍巖變形隱患。通過在朱家峁煤礦的成功實踐應用，證明了在陜北榆橫礦區(qū)推廣110 工法可以創(chuàng)造良好的經(jīng)濟社會效益，具有廣闊的應用前景。