晉普山煤礦切頂卸壓沿空留巷技術(shù)應(yīng)用研究

趙躍軍，耿 磊

（1.晉普山煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000；2.河南明德礦山技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，河南 焦作 454150）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外煤礦開(kāi)采沿空留巷的技術(shù)種類較多，如膏體充填沿空留巷、高水充填沿空留巷和柔?；炷脸涮钛乜樟粝锏萚1-3]，均需形成巷旁充填體支撐頂板，工序復(fù)雜、設(shè)備投資較大，并且受工作面開(kāi)采擾動(dòng)、頂板來(lái)壓等影響，留巷后期巷道維護(hù)壓力較大。而切頂卸壓沿空留巷技術(shù)可通過(guò)爆破預(yù)裂手段切斷沿空留巷頂板懸臂，達(dá)到卸壓目的，且設(shè)備投入較少，可避免充填帶來(lái)的材料運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低、巷道易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，該技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)礦井成功應(yīng)用。從考慮轉(zhuǎn)變礦井開(kāi)采思路、緩解礦井采掘接替緊張、提高回采率以及提升礦井經(jīng)濟(jì)效益的需求出發(fā)，晉普山礦決定在9 號(hào)煤層901 采區(qū)采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)。

1 地質(zhì)概況

90103 工作面平均埋深為267 m，煤厚為1.38～1.75 m，工作面長(zhǎng)153 m，沿空留巷長(zhǎng)342 m。9 號(hào)煤層頂板主要為石灰?guī)r，局部為泥巖或砂質(zhì)泥巖，屬堅(jiān)硬頂板、穩(wěn)定類頂板。老底為石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，屬堅(jiān)硬類底板。9 號(hào)煤層層位穩(wěn)定，全區(qū)除極個(gè)別區(qū)域含1～2 層夾矸外，其他區(qū)域皆不含夾矸，夾矸單層厚度最大為0.35 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層硬度為1.5～3.2 m。90103 工作面布置如圖1 所示。

圖1 90103 工作面布置示意圖

9 號(hào)煤層頂板主要為石灰?guī)r，局部為泥巖或砂質(zhì)泥巖，石灰?guī)r抗壓強(qiáng)度為117～158 MPa，平均為142.667 MPa，屬堅(jiān)硬頂板、穩(wěn)定類頂板。老底為石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。石灰?guī)r抗壓強(qiáng)度平均為134.875 MPa。砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度平均為88.63 MPa。粉砂巖平均為96.68 MPa，屬堅(jiān)硬類底板。

2 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理

2.1 影響沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素

根據(jù)以往專家學(xué)者研究成果[4-5]，長(zhǎng)壁工作面從開(kāi)切眼向前推進(jìn)一定距離后，依次在懸露基本頂?shù)闹醒?、兩個(gè)長(zhǎng)邊以及短邊形成平行的斷裂線，貫通之后，形成“O”形破斷，在回采面進(jìn)一步推進(jìn)后，基本頂巖層周期回轉(zhuǎn)形成“X”形破斷，破斷后形成塊體1 和2。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板出現(xiàn)周期性垮落，此后不斷循環(huán)。

從沿空留巷的角度分析時(shí)，在工作面推進(jìn)過(guò)來(lái)之前，工作面前方巷道頂板為固支梁結(jié)構(gòu)，如圖2-1 所示。隨著工作面的推進(jìn)，基本頂失去支撐，在自重及地應(yīng)力的作用下彎矩逐漸增大，引起頂板回轉(zhuǎn)下沉，當(dāng)達(dá)到極限時(shí)，在巷道靠近煤壁一側(cè)產(chǎn)生“O”形破斷，形成結(jié)構(gòu)塊1，如圖2-2 所示。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，工作面后方頂板進(jìn)一步下沉破斷垮落，在采空區(qū)上方形成“X”形破斷，形成結(jié)構(gòu)塊3，如圖2-3 所示。結(jié)構(gòu)塊3 作用在采空區(qū)邊緣和巷道上方，對(duì)巷道造成靜壓影響，致使巷道變形破壞。

圖2 巷道頂板破斷特征

上述對(duì)于采空區(qū)以及順槽頂板破斷特征的分析表明：基本頂破斷最終將導(dǎo)致在采空區(qū)形成殘留邊界，即“結(jié)構(gòu)塊3”，且隨著工作面的推進(jìn)，因其自身無(wú)承載能力，只能傳遞上覆巖層壓力，在自重及上覆巖層壓力的影響下，對(duì)工作面順槽造成持續(xù)的巨大的靜壓影響，引起巷道的頂板下沉、漲幫和底鼓等變形，并且“結(jié)構(gòu)塊3”屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，往往處于結(jié)構(gòu)破壞的邊緣。當(dāng)采空區(qū)邊緣圍巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、失穩(wěn)時(shí)，極易發(fā)生二次破壞，對(duì)巷道再次造成劇烈的動(dòng)壓影響，導(dǎo)致巷道變形破壞進(jìn)一步增大，甚至損壞。

綜合分析后得出結(jié)論：影響沿空留巷穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素為基本頂內(nèi)形成的“弧形三角板”和“結(jié)構(gòu)塊3”。如何避免基本頂內(nèi)形成“弧形三角板”和“結(jié)構(gòu)塊3”，防止沿空留巷出現(xiàn)圍巖壓力大、變形嚴(yán)重及支護(hù)效果不理想的情況，是確保沿空留巷效果的關(guān)鍵。

2.2 切頂卸壓沿空留巷工程技術(shù)思路

在工作面回采前，在計(jì)劃留巷的工作面采用爆破切頂技術(shù)，將巷道與采空區(qū)上方的基本頂及其下方的巖層定向切斷，避免形成“弧形三角板”和“結(jié)構(gòu)塊3”，使巷道頂板形成短臂梁結(jié)構(gòu)，并在已經(jīng)減弱采空區(qū)頂板垮落動(dòng)壓對(duì)留巷之影響的基礎(chǔ)上，采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)化短臂梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提升短臂梁整體的承載能力，確保留巷頂板穩(wěn)定，如圖3-1 所示。工作面回采后，在留巷采空區(qū)一側(cè)采區(qū)擋矸措施，使采空區(qū)沿切縫垮落的頂板沿?fù)蹴反胧┬纬上飵?。同時(shí)，配合臨時(shí)支護(hù)措施，支護(hù)頂板再次減小圍巖動(dòng)壓對(duì)留巷的影響，如圖3-2 所示。當(dāng)留巷渡過(guò)動(dòng)壓影響后，回撤臨時(shí)支護(hù)，完成沿空留巷。

圖3 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理

3 關(guān)鍵參數(shù)確定

3.1 爆破切頂高度的確定

目標(biāo)切頂高度為基本頂上邊界[6-9]，即下位關(guān)鍵層上邊界，本次研究采用以下兩種方式綜合確定：

1）頂板取芯探測(cè)。在90103 回風(fēng)順槽取2 個(gè)頂板巖芯，根據(jù)取芯結(jié)果結(jié)合物理力學(xué)參數(shù)綜合確定目標(biāo)切頂高度。

2）根據(jù)垮落帶高度確定。堅(jiān)硬頂板垮落帶高度約為采高的4～8 倍，結(jié)合礦方提供的鉆孔柱狀圖，選擇按照1.75 m 最大采高，取6 倍采高，即目標(biāo)切頂高度H0=10.5 m。

由于《煤礦安全規(guī)程》中要求深孔爆破封孔長(zhǎng)度不得小于鉆孔深度的1/3，即目標(biāo)切頂高度H0=10.5 m時(shí)，封孔長(zhǎng)度不低于3.5 m。再考慮到9 號(hào)煤頂板較為堅(jiān)硬（實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，平均為142.667 MPa），因此，采取“深孔+淺孔”切頂方式。其中，深孔目標(biāo)切頂高度H0，s=10.5 m，采用聚能爆破切頂。淺孔目標(biāo)切頂高度超過(guò)深孔封孔長(zhǎng)度1 m，H0，q=3.5+1=4.5 m，采用密集鉆孔切頂。

3.2 鉆孔及裝藥參數(shù)的確定

3.2.1 開(kāi)孔位置

為減小爆破對(duì)頂板的影響，同時(shí)保證留巷斷面，開(kāi)孔位置靠近回采幫。故最終確定開(kāi)孔位置距回采幫不超過(guò)200 mm，距巷道中線不小于1 900 mm。

3.2.2 深孔間距

鉆孔直徑d=55 mm，深孔鉆孔間距Ls，可按應(yīng)力波作用計(jì)算。鉆孔徑向裂隙是由切向拉應(yīng)力引起的沖擊波壓碎效應(yīng)，即當(dāng)巖石中的切向拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生徑向裂隙。

式中：Rp為破裂區(qū)半徑，m；b 為側(cè)應(yīng)力系數(shù)；p2為炮孔壁初始?jí)毫Ψ逯?，Pa；σt為巖石抗拉強(qiáng)度，Pa；α 為應(yīng)力波衰減指數(shù)；rb為炮孔半徑，0.025 m。

計(jì)算可得，深孔間距Ls=0.54 m。結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，并考慮現(xiàn)場(chǎng)施工的便捷性，將鉆孔間距適當(dāng)增大，確定深孔間距Ls=0.6 m=600 mm。

3.2.3 淺孔間距

淺部采用密集鉆孔切頂，密集切頂鉆孔間距一般為150～500 mm，考慮鉆孔直徑55 mm，石灰?guī)r堅(jiān)硬頂板，淺孔鉆孔間距取300 mm，即深孔—淺孔間距為300 mm，深孔—深孔間距為600 mm，淺孔—淺孔間距為600 mm，每600 mm 施工一個(gè)深孔和一個(gè)淺孔。

3.2.4 鉆孔傾角及深度的確定

鉆孔傾角對(duì)于切頂卸壓的效果有著重要影響，過(guò)大將提升卸壓效果，但難以施工。結(jié)合以往研究成果[6-9]，鉆孔傾角定為85°。

鉆孔深度H 可通過(guò)如下臨界公式計(jì)算：

式中：H0為目標(biāo)切頂高度，H0，s=10.5 m、H0，q=4.5 m；α為鉆孔傾角，85°；c 為鉆孔超過(guò)切頂目標(biāo)層位的垂直高度，取0.1 m。

代入可得：爆破鉆孔深度H深=10.6 m，H淺=4.6 m。

爆破鉆孔布置圖如圖4 所示。

圖4 爆破鉆孔布置示意圖（單位：mm）

3.2.5 裝藥參數(shù)

采用連續(xù)裝藥，炸藥之間不留空隙，裝藥段為7 m，線裝藥量為0.65 kg?？變?nèi)分為裝藥段和封孔段，裝藥段采用聚能管裝藥，23 卷炸藥連續(xù)裝藥。炸藥采用礦用電雷管和礦用導(dǎo)爆索引爆，每孔采用2 發(fā)電雷管并聯(lián)引爆炸藥，一次起爆的炮孔，雷管段別相同，孔內(nèi)并聯(lián)、孔間串聯(lián)連接，每次爆破5～10 個(gè)炮孔。

4 沿空留巷其它支護(hù)參數(shù)

4.1 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

為了避免爆破影響補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果，頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)在切頂后施工，滯后不超過(guò)20 m。本次90103 回風(fēng)順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案如下：

頂部采用Φ21.8 mm×6 300 mm 錨索，間排距為1 350 mm×1 200 mm，3-2-3-2 垂直頂板布置。點(diǎn)錨索采用300 mm×300 mm×14 mm 正方形高強(qiáng)度鋼平托盤(pán)，配鎖具。JW 鋼帶錨索采用200 mm×220 mm×12 mm 異形托盤(pán)?？拷夭蓭偷腻^索采用JW 鋼帶組成整體。

幫部采用Φ17.8 mm×4 300 mm 錨索，間距為1 200 mm。一排1 根，配套采用300 mm×300 mm×14 mm 正方形高強(qiáng)度鋼平托盤(pán)，配鎖具。下個(gè)工作面距采面一定距離時(shí)退錨。沿空留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面如圖5 所示。

圖5 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面圖（單位：mm）

4.2 巷旁防護(hù)

工作面后方巷旁防護(hù)采用“雙層金屬網(wǎng)+風(fēng)筒布+可伸縮U 型鋼+鋼筋拉桿”方式。雙側(cè)金屬網(wǎng)沿爆破鉆孔連線布置：內(nèi)層（靠近采空區(qū)一側(cè)）選用菱形鐵絲網(wǎng)，外層（靠巷道一側(cè)）選用鋼筋網(wǎng)，風(fēng)筒布夾在兩層金屬網(wǎng)之間，相互搭接用于留巷段防漏風(fēng)。擋矸柱采用2 根29U 型鋼通過(guò)卡纜搭接組成，擋矸柱間距為600 mm。擋矸柱架設(shè)前底板挖柱窩，且不低于100 mm。兩節(jié)可伸縮U 型鋼之間采用鋼筋拉桿連接，形成整體，如圖6 所示。

圖6 巷旁讓壓防護(hù)平面圖

4.3 滯后臨時(shí)支護(hù)

在工作面后方150 m 范圍內(nèi)，采用“單體液壓支柱+金屬頂梁”方式支護(hù)。滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)留巷斷面內(nèi)布置3 列懸浮式單體柱支護(hù)，間距為1 000 mm，排距為1 200 mm，搭配金屬頂梁，靠近采空區(qū)幫的單體柱距采空區(qū)幫300 mm。所有單體液壓支柱“穿鞋戴帽”。單體柱+金屬頂梁隨工作面推進(jìn)，在滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)內(nèi)循環(huán)回撤，如圖7 所示。

圖7 滯后臨時(shí)支護(hù)圖（單位：mm）

5 礦壓觀測(cè)

采用“十字布點(diǎn)法”觀測(cè)巷道變形情況，典型測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 90103 沿空留巷典型測(cè)點(diǎn)位移曲線

1）采空幫頂板最大下沉量為365 mm，采空區(qū)側(cè)最大移近量為310 mm，實(shí)體煤側(cè)最大移近量為156 mm，受切頂后的短壁梁頂板結(jié)構(gòu)變化影響，采空區(qū)幫移近量更大，但已滿足下工作面回采使用需求。

2）巷道進(jìn)入留巷后，巷道受回采動(dòng)壓、周期來(lái)壓的影響，頂板迅速下沉，采空區(qū)幫也迅速變形，如區(qū)域A 所示。隨著與工作面的距離逐漸增大，所受動(dòng)壓影響逐漸減小，至工作面后方100 m 后變形速度減緩，如區(qū)域B 所示。

3）隨著留巷與工作面距離的進(jìn)一步增大，回采動(dòng)壓對(duì)留巷的影響越來(lái)越小，至工作面后方130 m 處，留巷頂板下沉和采空幫變形趨于穩(wěn)定，如區(qū)域C 所示，此時(shí)可回撤臨時(shí)支護(hù)。

4）頂板穩(wěn)定后，逐步回撤臨時(shí)支護(hù)，引起應(yīng)力重新分布，造成留巷圍巖微弱運(yùn)動(dòng)，引起巷道變形，如區(qū)域D 所示。

5）應(yīng)力重新分布后，巷道再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)留巷內(nèi)臨時(shí)支護(hù)已經(jīng)回撤部分，圍巖運(yùn)動(dòng)逐漸穩(wěn)定下來(lái)，完成留巷，如區(qū)域E 所示。

6）基于上述特點(diǎn)，確定了堅(jiān)硬頂板沿空留巷圍巖運(yùn)動(dòng)的5 個(gè)區(qū)域，即A 動(dòng)壓劇烈影響區(qū)，位于工作面后方50 m 范圍內(nèi)。B 動(dòng)壓緩慢影響區(qū)，位于工作面后方50～100 m 范圍內(nèi)。C 留巷一次穩(wěn)定區(qū)，位于動(dòng)壓緩慢影響區(qū)之后。D 回撤影響區(qū)，位于留巷開(kāi)始回撤臨時(shí)支護(hù)地點(diǎn)附近。E 成巷穩(wěn)定區(qū)，位于回撤影響區(qū)后方。

6 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)晉普山礦90103 工作面的工程地質(zhì)條件，結(jié)合沿空留巷技術(shù)原理，確定其合理的聚能爆破切頂高度為10.5 m，切頂角度為85°。

2）90103 工作面周期來(lái)壓后方影響范圍（動(dòng)壓影響區(qū)）為130 m，在該范圍內(nèi)圍巖運(yùn)動(dòng)劇烈，容易引起巷道較大變形。采用密集單體柱π 梁臨時(shí)支撐頂板，能夠有效減小頂板下沉，滯后工作面130 m 以外回撤臨時(shí)支護(hù)，能夠確保巷道穩(wěn)定。

3）采空幫頂板的下沉以及回采幫的片幫是沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究的重點(diǎn)對(duì)象，90103 回風(fēng)順槽圍巖補(bǔ)強(qiáng)參數(shù)為：頂板補(bǔ)強(qiáng)按照3-2 布置Φ21.8 mm×6 300 mm 錨索，間排距為1 350 mm×1 200 mm，臨空側(cè)增加JW 鋼帶，用于加強(qiáng)支護(hù)整體性?；夭蓭驮诰囗?00 mm 處增加Φ17.8 mm×4 300 mm 錨索，用于防止片幫，排距與頂板補(bǔ)強(qiáng)相同。從前場(chǎng)圍巖移近量觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用效果良好，可為具有類似開(kāi)采條件的沿空留巷設(shè)計(jì)、施工等提供借鑒經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。