宋曉明

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

巷道掘進(jìn)速度是制約煤礦高產(chǎn)高效生產(chǎn)的重要因素。傳統(tǒng)的沿空掘巷存在掘進(jìn)周期長(zhǎng)、支護(hù)困難、采空區(qū)瓦斯涌出、煤層自燃[1-3]等問(wèn)題，因此，新型的沿空留巷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)通過(guò)無(wú)煤柱開采提高了回采率，同時(shí)可降低工作面上隅角瓦斯含量，緩解接替緊張局面，降低成本[4-5]。本文以伯方煤礦3308 工作面為工程背景，對(duì)沿空留巷頂板斷裂和應(yīng)力分布情況開展研究，提出預(yù)裂爆破切頂沿空留巷技術(shù)，取得良好的應(yīng)用效果。

1 工程概況

3308 工作面為走向長(zhǎng)壁回采工作面，采用綜采放頂煤工藝，全部垮落法管理頂板，工作面走向長(zhǎng)1900 m，傾向長(zhǎng)200 m。所采3#煤層為石炭系太原組，煤層厚度4.5～5.7 m，平均5.3 m，煤層傾角平均6°，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，偶含夾矸1 層，煤層穩(wěn)定。煤層頂板主要為泥灰?guī)r和粉砂巖。工作面雙滾筒采煤機(jī)截割，回采高度2.8 m，單次截割深度0.8 m。3308 工作面相鄰工作面回采時(shí)，預(yù)留25 m 的保護(hù)煤柱。根據(jù)以往回采經(jīng)驗(yàn)，后期鄰近3307 工作面受集中應(yīng)力影響明顯，產(chǎn)生較大變形，累計(jì)底鼓高度達(dá)1 m 左右，需要對(duì)巷道進(jìn)行多次維護(hù)，浪費(fèi)大量人力物力，對(duì)高產(chǎn)高效生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。對(duì)工作面開展沿空留巷技術(shù)，可有效解決應(yīng)力顯現(xiàn)問(wèn)題。

2 預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)原理

一般情況下鄰近采空區(qū)巷道頂板斷裂形式有兩種：

（1）煤柱上方頂板發(fā)生斷裂。當(dāng)煤層頂板斷裂發(fā)生在煤柱上方位置時(shí)，煤層頂板會(huì)形成砌體梁結(jié)構(gòu)，煤柱成為砌體梁一側(cè)的承載基體，所受應(yīng)力增加，影響煤體及巷道的穩(wěn)定性。頂板斷裂及應(yīng)力分布圖如圖1 所示。

（2）煤層頂板斷裂發(fā)生在采空區(qū)上方。當(dāng)采空區(qū)頂板發(fā)生斷裂時(shí)，煤柱上方頂板形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，梁體作用力全部由煤柱承載，產(chǎn)生應(yīng)力集中，使煤柱發(fā)生塑性變形。頂板斷裂及應(yīng)力分布圖如圖2 所示。

圖1 煤柱上方頂板斷裂示意圖

圖2 采空區(qū)上方頂板斷裂示意圖

綜上所述，不論煤層頂板斷裂位置位于采空區(qū)或者煤柱上方，都會(huì)造成煤柱應(yīng)力集中，對(duì)掘進(jìn)空間造成較大影響。若采用預(yù)裂爆破方法對(duì)煤層頂板進(jìn)行側(cè)向切斷，則可對(duì)巷道（煤柱）進(jìn)行卸壓，有效減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。如圖2 所示，若將煤層頂板沿煤柱上方側(cè)向切斷，可以破壞梁體結(jié)構(gòu)，減少由于頂板自重和圍巖應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)巷道（煤柱）進(jìn)行有效保護(hù)，從而減少留巷工作面巷道變形。

3 預(yù)裂爆破切頂卸壓參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 超前預(yù)裂爆破孔參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 炮眼布置方式

根據(jù)對(duì)煤層頂板斷裂情況的分析，本次炮孔沿巷道方向靠實(shí)體煤側(cè)巷道肩角位置布置一排平行炮孔，孔徑75 mm，炮孔仰角75°，如圖3 所示。

3.1.2 炮眼深度

（1）爆破切頂高度的計(jì)算

為了使工作面采空區(qū)煤層頂板垮落的矸石充滿回采空間，從而減少沿空留巷壓力顯現(xiàn)，通過(guò)對(duì)以往工程經(jīng)驗(yàn)的分析，決定對(duì)煤層頂板巖層按照4 倍回采高度進(jìn)行弱化。其切頂高度的計(jì)算公式如下：

式（1）中：MZ為爆破切頂高度，m；H 為回采高度，取值2.8 m；T 為頂煤厚度，取值1.8 m；SA為煤層基本頂下部巖層沉降量，取值0.2H，m；C 為殘煤厚度，m；KA為冒落帶巖石碎脹系數(shù)，取值1.4。

式（2）中：η 為放出率，取值0.7；Km為頂煤垮落碎脹系數(shù)，取值1.2。

通過(guò)計(jì)算可得：MZ=8.48 m。

圖3 預(yù)裂爆破炮孔布置圖

（2）炮孔深度計(jì)算

通過(guò)爆破切頂高度計(jì)算結(jié)果可知，由于巖石碎脹作用，通過(guò)采空區(qū)頂板垮落使其完全被矸石填充需要破壞的頂板高度為8.48 m。因此，需要對(duì)頂板以上11.2 m 的巖層進(jìn)行處理，從而確定炮孔深度L：

式中：β 為炮孔仰角，（°）。

按照炮孔傾角75°計(jì)算可得L=8.8 m。為了保證爆破預(yù)裂的有效性，本次炮孔深度L 取值10 m，通過(guò)試驗(yàn)，可對(duì)參數(shù)進(jìn)行逐步優(yōu)化。

3.1.3 炮眼間距

（1）應(yīng)力波疊加計(jì)算

式（4）中：a 為炮孔間距，m；σt為巖石抗拉強(qiáng)度，取值3.7 MPa；b 代表側(cè)應(yīng)力系數(shù)，b=μ/（1-μ）取值0.33；α 為應(yīng)力波峰值衰減指數(shù)，α=2-b=1.67；rb是爆破影響長(zhǎng)度，m。

式（5）中：p2為孔壁初始?jí)毫Ψ逯?，MPa；ρ0為炸藥密度，t/m3；D 為爆速，m/s；dc為錨桿長(zhǎng)度，m；n 為壓力增大倍數(shù)，取值10。

通過(guò)計(jì)算可得：

（2）應(yīng)力波和爆破氣體準(zhǔn)靜壓疊加作用計(jì)算

在密閉空間應(yīng)力波和爆破氣體共同作用之下，炮孔孔壁產(chǎn)生塑性變形，可簡(jiǎn)化為厚壁圓筒在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力模型。根據(jù)彈塑性理論巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則以及厚壁圓筒理論可得：

式中：P0為作用在孔壁的靜態(tài)壓力，MPa。

在柱狀不耦合狀態(tài)下：

經(jīng)計(jì)算炮孔間距a=a1+a2=0.722+0.714=1.436 m。考慮炮孔壁的初始?jí)毫Ψ逯导皽?zhǔn)靜態(tài)壓力均遠(yuǎn)大于巖體抗壓強(qiáng)度，會(huì)產(chǎn)生能量損失，本次炮孔間距取值1.4 m。

3.2 裝藥量

本次采用不耦合連續(xù)裝藥，設(shè)計(jì)裝藥長(zhǎng)度8 m，則單孔裝藥量計(jì)算為：

式中：Q 為總裝藥量，kg；q 為每米藥量，取值2.812 5 kg/m；l 為總裝藥長(zhǎng)度，m。經(jīng)計(jì)算Q= 2.812 5×8=22.5 kg。

3.3 預(yù)裂爆破切頂及支護(hù)方案

（1）在綜放工作面超前50 m 范圍以外，按照設(shè)計(jì)參數(shù)提前施工預(yù)裂鉆孔。

（2）依據(jù)工作面回采方向和回采方式，在采面前方30～50 m 依次進(jìn)行爆破，使工作面前方形成預(yù)裂切縫線。

（3）在超前工作面30 m 范圍內(nèi)對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

（4）在綜放工作面回采結(jié)束后，沿切縫線利用檔矸支架對(duì)采空區(qū)矸石進(jìn)行處理，并澆筑柔模混凝土墻體對(duì)采空區(qū)進(jìn)行隔離，保證巷道的支護(hù)效果。巷道支護(hù)如圖4 所示。

圖4 巷道支護(hù)示意圖

4 安全及經(jīng)濟(jì)效益

（1）預(yù)裂爆破切頂卸壓沿空留巷可減少巷道壓力顯現(xiàn)，降低支護(hù)難度。采空區(qū)隔離支護(hù)施工，在工作面煤壁附近對(duì)留巷澆墻區(qū)頂板進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)，在支架尾部的留巷澆墻區(qū)底板施工墻體基礎(chǔ)，提高了頂?shù)装鍎偠?，保證了“頂板-巷旁支護(hù)-底板”支圍系統(tǒng)剛度匹配，更好地發(fā)揮了巷旁支護(hù)的作用。預(yù)裂爆破切頂沿空留巷滯后工作面60 m以后，圍巖活動(dòng)基本穩(wěn)定，留巷總體變形量小，技術(shù)效果良好。

（2）提高回采率。3308工作面開采長(zhǎng)度1900 m，平均煤厚5.4 m，煤體密度為1.4 t/m3，煤柱寬度為25 m。在采用沿空留巷后，按85%回收率進(jìn)行計(jì)算，煤炭產(chǎn)量增加30 萬(wàn)t，按照噸煤100 元利潤(rùn)計(jì)算，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約3000 萬(wàn)元。

（3）節(jié)省巷道掘進(jìn)。3308 工作面采用沿空留巷后可減少3307 工作面巷道掘進(jìn)約1900 m，巷道掘進(jìn)綜合成本按8000 元/m 計(jì)算，可節(jié)省1520 萬(wàn)元。

（4）沿空留巷費(fèi)用。本次沿空留巷總長(zhǎng)度1900 m，留巷綜合成本約5500 元/m，所需投入約為1045 萬(wàn)元。經(jīng)過(guò)計(jì)算，3207 工作面采用沿空留巷可提高經(jīng)濟(jì)效益約3475 萬(wàn)元。

5 結(jié)論

（1）采用工作面預(yù)裂爆破切頂沿空留巷技術(shù)，解決了巷道壓力傳遞現(xiàn)象問(wèn)題，減少了巷道維護(hù)量，實(shí)現(xiàn)了工作面無(wú)煤柱回采，3308 工作面可提高經(jīng)濟(jì) 效益約3475 萬(wàn)元。

（2）采用沿空留巷技術(shù)后，3307 工作面少掘進(jìn)一條巷道，節(jié)省掘進(jìn)時(shí)間超過(guò)6 個(gè)月，保證了工作面正常接替。

（3）預(yù)裂爆破切頂卸壓沿空留巷可減少巷道壓力顯現(xiàn)，降低支護(hù)難度，配合柔?；炷翂w設(shè)計(jì)，保證了巷道的支護(hù)效果，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。