白 旭 飛

（山西潞陽煤炭投資經(jīng)營管理有限公司，山西 壽陽 045000）

0 引 言

我國的煤礦大都數(shù)采用尺寸較大的區(qū)段煤柱來保護(hù)工作面的巷道，但是留設(shè)區(qū)段煤柱存在著資源浪費(fèi)、煤柱應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯以及采空區(qū)發(fā)火等一系列問題。近年來，隨著煤炭資源的日益枯竭，無煤柱開采技術(shù)由于其能夠解決煤炭資源的浪費(fèi)、緩解生產(chǎn)接續(xù)緊張以及解決頂板控制困難等優(yōu)勢(shì)，逐漸被大多數(shù)礦井所青睞。

2008 年何滿潮院士以及陳上元,郭志飚等提出“切頂短壁梁”理論, 即在采空區(qū)側(cè)通過定向爆破形成預(yù)裂切縫，在工作面回采過程中利用礦壓切斷部分頂板的應(yīng)力傳遞，使巷道自動(dòng)成形，從而實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，并逐步形成切頂卸壓自動(dòng)成巷完整技術(shù)工藝, 稱之為長壁開采110 工法。我國學(xué)者在何滿潮院士的基礎(chǔ)上對(duì)切頂卸壓開采技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并在多處礦井進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)踐，均取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[1，2]。

1 工作面概況

祥升煤礦3301 工作面北側(cè)為聚金灣洗煤廠，東側(cè)為亨元煤業(yè)有限公司，該工作面上方石門河橫穿工作面，周圍均為農(nóng)用耕地。地面標(biāo)高：+1080m，工作面標(biāo)高：+885-+920m, 工作面埋深215- 416m。

3301 綜采工作面是祥升煤礦礦3# 煤三采區(qū)第一個(gè)工作面。東面為亨元煤業(yè)6#、8# 煤采空區(qū)。其余周邊均為實(shí)體煤層。工作面可采走向長度966 m，切眼斜長210 m。頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 頂?shù)装鍘r性表

2 頂板預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)

本文擬采用“切頂卸壓預(yù)裂頂板+ 補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)”為主體的設(shè)計(jì)方案，在工作面的一側(cè)布置預(yù)裂切縫孔，通過炸藥將頂板以上關(guān)鍵塊切斷，同時(shí)采用補(bǔ)強(qiáng)錨索對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

2.1 頂板預(yù)裂切縫參數(shù)

近年來興起的聚能爆破技術(shù)，在礦井生產(chǎn)中得到了較好的應(yīng)用，聚能爆破技術(shù)是將炸藥爆炸后所產(chǎn)生的能量通過特定的聚能裝置使得炮孔圍巖在垂直于巷道走向的方向上受拉，而在平行于巷道走向的方向受壓，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巷道上覆巖層能夠按設(shè)預(yù)設(shè)方向拉裂成型，從而實(shí)現(xiàn)被爆破體按設(shè)定方向張拉斷裂成型[3]。該工藝對(duì)比以往的炸藥直接爆破，有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，如施工工藝簡單、爆破炸藥單耗小以及鉆孔周邊巖體所受損傷小等一系列優(yōu)點(diǎn)。

2.1.1 預(yù)裂切縫高度

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，預(yù)裂切縫的高度應(yīng)滿足大于2.5 倍的采高；

式中：H煤為采高，取 2.0m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底臌量，m；K 為頂板巖石的碎漲系數(shù)，1.3～1.5，通過加權(quán)平均計(jì)算得采空區(qū)頂板垮落后巖石碎脹系數(shù)k 為1.38。

在不考慮底臌及頂板下沉的情況下：

綜合考慮上述計(jì)算結(jié)果，同時(shí)考慮頂板上覆巖層的巖石分布情況，預(yù)裂切縫孔深度初步取值為H縫=6.0m。

2.1.2 預(yù)裂切縫角度

切頂角度是指頂板切縫與鉛垂方向的夾角。按照切頂卸壓機(jī)理，預(yù)裂切縫結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖塊需沿切縫順利滑落，避免形成鉸接巖梁結(jié)構(gòu)以傳遞上覆巖層壓力。為此，建立力學(xué)分析模型如圖1 所示，假設(shè)在切縫結(jié)構(gòu)面的兩側(cè)巖塊間形成鉸接巖梁，切縫結(jié)構(gòu)面與垂直面成θ 角，巖梁的厚度為h，長度為L，巖塊B 有滑落趨勢(shì)時(shí)，巖塊A 在水平擠壓力T 的作用下沿切縫接觸面對(duì)巖塊B 將產(chǎn)生摩擦阻力fk[4]：

而巖塊B 沿切縫的接觸面受到滑動(dòng)作用力fh為：

若fh≥fk，則鉸接處巖塊B 沿切縫結(jié)構(gòu)面滑落，由此可得切頂角度應(yīng)滿足：

巖塊A 與巖塊B 之間的水平擠壓力T 可用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：FZ為巖塊B 及其上覆軟弱巖層重量，kN；Lz1為巖塊B 沿工作面傾向的長度，即巖層頂板沿工作面傾向的斷裂步距；Hz 為巖塊B 的厚度，即巖層厚度 4.0m；Sz 為 B 巖塊回轉(zhuǎn)下沉量，SZ=ηmLZ1，η為頂板下沉系數(shù)，取0.02，LZ2為巖塊B 沿工作面走向長度， 即巖層頂板沿工作面走向斷裂步距

為巖層趨向斷裂時(shí)的安全系數(shù)，取 n=3[4]。

式中：SΔ為巖塊 B 的面積，SΔ=LZ1LZ2/2，m2；Hzi為關(guān)鍵塊及上覆軟弱巖層的厚度，m；γzi為關(guān)鍵塊及其上覆軟弱巖層的各層容重，kN/m3[4]。

圖1 切縫結(jié)構(gòu)面處巖塊咬合平衡

由理論計(jì)算可得，切縫角度為15°（傾向采空區(qū)側(cè)鉛垂線夾角）。

2.1.3 預(yù)裂切縫裝藥量

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)先取切縫孔間距為500mm，在上述切縫高度、角度以及孔間距確定的情況下，通過現(xiàn)場爆破試驗(yàn)確定裝藥量，一次爆破孔數(shù)以及爆破方式等。具體方案為先進(jìn)行單孔爆破確定每個(gè)鉆孔的裝藥量，再進(jìn)行間隔爆破，驗(yàn)證炮孔間距是否合理，最后進(jìn)行連續(xù)爆破試驗(yàn)確定單次起爆孔數(shù)。爆破方式試驗(yàn)有單孔爆破、間隔爆破以及一次連續(xù)爆破。

由現(xiàn)場爆破試驗(yàn)可以得到，在3310 皮順和3301 專用回風(fēng)巷交界處開始進(jìn)行切縫鉆孔施工并預(yù)裂爆破，切縫鉆孔布設(shè)于3310 皮順回采側(cè)，切縫孔間距500mm，角度15°，鉆頭直徑為48mm，深度6000mm，采用三級(jí)煤礦乳化炸藥，炸藥規(guī)格為直徑Φ32 ×400mm/ 卷， 單孔裝藥 9 卷， 封泥長度1200mm。

2.2 補(bǔ)強(qiáng)錨索設(shè)計(jì)方案

由于在切頂過程以及采動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生壓力影響巷道的穩(wěn)定性，因此需要在預(yù)裂頂板前采用補(bǔ)強(qiáng)錨索補(bǔ)強(qiáng)加固，以保證巷道的穩(wěn)定性。

根據(jù)相似礦井設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合補(bǔ)強(qiáng)錨索在留巷過程中所起到的懸吊上覆巖層的作用，因此在設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)錨索時(shí)應(yīng)綜合頂板巖層的分布（尤其是上覆堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層的位置）、巷道現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)及瓦斯抽放鉆孔的布置情況，因此補(bǔ)強(qiáng)錨索設(shè)計(jì)長度為8.3m。

結(jié)合相似礦井以及以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并考慮礦井現(xiàn)有支護(hù)方案，此次補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)方案參數(shù)為：沿著工作面走向的方向，布置2 列錨索，均垂直于頂板， 第一列補(bǔ)強(qiáng)錨索距工作面 500mm， 排距1000mm；第二列距巷道副幫1400mm 布置，排距2000mm。在第一列相鄰補(bǔ)強(qiáng)錨索之間使用W 鋼帶進(jìn)行連接，補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)圖如圖2 所示，巷道支護(hù)展開見圖3。

圖2 補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

圖3 補(bǔ)強(qiáng)錨索加強(qiáng)支護(hù)巷道展開圖

補(bǔ)強(qiáng)錨索取為1×19 芯的φ21.6mm 高強(qiáng)度鋼絞線，長度為8300mm，預(yù)緊力不小于25t，其他參數(shù)同普通頂板錨索。

2.3 巷道臨時(shí)支護(hù)

在巷道現(xiàn)有支護(hù)的情況下，為保護(hù)切頂卸壓區(qū)域附件的安全性，除補(bǔ)強(qiáng)錨索外還需要進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。根據(jù)以往現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，將工作面附近劃分為超前支護(hù)區(qū)（工作面前方30m）、超后臨時(shí)支護(hù)區(qū)（工作面后方200m）以及成巷穩(wěn)定區(qū)，不同分區(qū)根據(jù)需要采取不同的支護(hù)措施[5]。

2.3.1 超前支護(hù)區(qū)（煤壁前方0～30m）

此段巷道位于工作面超前采動(dòng)影響區(qū)，需要超前加強(qiáng)支護(hù)，結(jié)合工作面現(xiàn)有設(shè)備條件，采用單體液壓支柱配合"π" 型梁進(jìn)行超前支護(hù)。巷道支護(hù)斷面及參數(shù)如圖4 所示。

2.3.2 架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)（架后0～200m）

此段巷道動(dòng)壓影響明顯，頂板壓力較大，因此此段區(qū)域需要臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。主要采用單體支柱進(jìn)行頂板支護(hù)，采用鋼筋網(wǎng)、單體支柱與可伸縮U 型鋼進(jìn)行聯(lián)合擋矸支護(hù)。巷道支護(hù)斷面及參數(shù)如圖5 所示。

2.3.3 成巷穩(wěn)定區(qū)（架后200m 之后）

此段巷道受采動(dòng)影響很小，頂板已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，可將臨時(shí)支護(hù)單體撤掉，只保留可伸縮U 型鋼進(jìn)行擋矸支護(hù)[6]。巷道支護(hù)斷面如圖6 所示。

3 實(shí)施效果分析

根據(jù)上述理論分析及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所獲得切頂卸壓的關(guān)鍵參數(shù)，在祥升煤礦3301 工作面進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

圖7 錨索受力檢測曲線

由圖7 錨索受力檢測曲線可以反映出切頂卸壓的作用過程以及切頂?shù)男Ч?。工作面超前?dòng)壓影響范圍大約為20m 左右，在工作面前方5～10m，工作面超前動(dòng)壓影響顯著，錨索受力急劇增大，錨索受力從100MPa 增大到170MPa，當(dāng)工作面推過后，錨索上的受力急劇減小，當(dāng)工作面推過后40m 左右，錨索上的受力趨于穩(wěn)定，數(shù)值約為68MPa，表示頂板已經(jīng)沿著預(yù)裂切縫斷裂并切落卸壓。

4 實(shí)施切頂卸壓的價(jià)值

4.1 綜合效益

節(jié)約資源，提高資源利用率、緩解了采掘接續(xù)矛盾、有利于巷道的維護(hù)、減小了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、保障了安全生產(chǎn)以及有利于提高生產(chǎn)效率。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

按照3301 工作面皮帶順槽留巷長度842m核算：

1）常規(guī)布置方法。布置842m 巷道，人工費(fèi)85.2萬元，材料費(fèi)211.8 萬元，合計(jì)297 萬元。

2）切頂留巷布置方法。計(jì)算依據(jù)：包括切縫鉆機(jī)、單體柱費(fèi)用時(shí)（折舊按10%）：切頂留巷布置842m 巷道，人工費(fèi) 67 萬元，材料費(fèi) 222.5 萬元，合計(jì) 289.5 萬元。

3）經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比。常規(guī)布置方法，巷道成本費(fèi)為3527 元/m；切頂留巷布置方法，巷道成本費(fèi)2955 元/m，每米可節(jié)約資金572 元。

5 結(jié) 論

1）針對(duì)祥升煤礦3301 工作面具體條件，通過理論計(jì)算與工程類比確定切頂卸壓的具體參數(shù)為：切縫高度6.3m、角度15°、切縫孔間距為500mm。

2）采用切頂留巷布置方法，巷道成本費(fèi)每米可節(jié)約資金572 元。

3） 祥升煤礦采用切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。