常晉雷，宋瑞軍，劉 洋，羅厚林

(1.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司 經(jīng)紡莊子河煤礦，山西 長(zhǎng)治 047100；2陜西開(kāi)拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054)

煤炭作為一種不可再生資源，隨著煤礦的不斷開(kāi)采，煤炭資源越來(lái)越少，而傳統(tǒng)的留設(shè)保護(hù)煤柱造成的煤炭回收率低、資源浪費(fèi)的問(wèn)題日益突出[1]；沿空留巷切頂卸壓作為一種無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，不僅可以提高煤炭資源采出率、延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限、減少巷道掘進(jìn)量、緩解采掘接替緊張狀況，是我國(guó)煤炭安全高效開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)之一[2-3]，沿空留巷切頂卸壓的技術(shù)關(guān)鍵為提前對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂切縫，目前，應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)主要有預(yù)裂爆破和水力壓裂技術(shù)[4-6]。何滿潮等[7]在大量室內(nèi)試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了以“切頂短臂梁”為基礎(chǔ)的切頂沿空成巷新方法，在薄煤層、中厚煤層﹑厚煤層以及破碎頂板、堅(jiān)硬頂板和復(fù)合頂板等不同頂板條件下的煤層中得到了成功應(yīng)用[8-9]。

本文根據(jù)常村煤礦S5-16工作面巷道頂板條件，在井下實(shí)施沿空留巷切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)的同時(shí)，不斷優(yōu)化爆破參數(shù)，最終得到了合理的爆破參數(shù)；留巷后巷道整體變形情況不大，對(duì)于其他同類礦井綜放工作面使用切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

1 工程條件概況

1.1 工作面及留巷概括

常村煤礦在S5-16工作面實(shí)施沿空留巷切頂卸壓[10]技術(shù)，S5-16工作面寬度294 m，工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度660 m，回采至與S5-17切眼齊平時(shí)開(kāi)始沿空留巷，留巷長(zhǎng)度437 m。留巷寬度為4 500 mm，凈寬4 300 mm，巷道高度為3 700 mm。S5-16工程沿空留巷平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 沿空留巷工程平面(mm)

1.2 地質(zhì)條件

S5-16工作面主采3號(hào)煤，煤層厚度平均為5.8 m，煤層層理明顯，節(jié)理、裂隙較發(fā)育。煤層傾角0～10°，普氏硬度f(wàn)=0.4，容重為1.4 t/m3。頂煤平均厚度2.4 m，工作面直接頂為2.8 m厚的泥巖，黑色、塊狀、致密、質(zhì)均、屬于較硬巖層；老頂為6.6 m厚的中粒砂巖，灰色，長(zhǎng)石石英為主，水平層理，垂直裂隙發(fā)育，屬于堅(jiān)硬巖層；在老頂之上是一層3.0 m厚的較硬泥巖，泥巖上還有一層1.3 m厚的堅(jiān)硬細(xì)粒砂巖。工作面直接底為1.2 m厚的泥巖；老底為1.5 m厚的細(xì)粒砂巖。煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

2 切頂卸壓技術(shù)工藝及效果分析

2.1 技術(shù)工藝

切頂卸壓就是在軌道巷道應(yīng)力集中區(qū)范圍或懸頂區(qū)使用定向聚能爆破[11]進(jìn)行切頂卸壓，通過(guò)切頂卸壓，消除懸頂現(xiàn)象，降低沿空巷道頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉(zhuǎn)變形壓力，從而大大減小了巖梁傳遞到巷旁和巷內(nèi)支護(hù)的荷載，從根本上改善巷道的力學(xué)環(huán)境。沿空留巷懸頂見(jiàn)圖2，沿空留巷預(yù)裂爆破切頂卸壓效果見(jiàn)圖3。

圖2 沿空留巷懸頂

圖3 預(yù)裂爆破切頂卸壓效果

2.2 爆破參數(shù)

本次爆破采用三級(jí)煤礦許用乳化炸藥、1～5段煤礦許用毫秒延期雷管、煤礦許用導(dǎo)爆索及D型聚能管。根據(jù)理論分析計(jì)算及在S5-16工作面頂板取芯分析，初步確定炮孔傾斜角度75°、炮孔直徑50 mm，深度11 m、切頂長(zhǎng)度6 m、封孔長(zhǎng)度5 m、炮孔間距600 mm、裝藥量450 g/m。采用孔底不耦合連續(xù)裝藥，聚能藥包定向斷裂爆破。聚能藥包定向斷裂炮孔布置見(jiàn)圖4，裝藥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

2.3 爆破效果分析

1) 爆破過(guò)程：采用可調(diào)壓氣動(dòng)膠槍將乳化炸藥注入聚能管內(nèi)，單節(jié)聚能管長(zhǎng)度一般為2 m，聚能管間采用專用連接件連接并用螺絲固定，最后采用細(xì)鐵絲將連接件與聚能管捆扎3道，確保聚能管間捆扎牢固，可靠傳爆炸藥。聚能管扣蓋必須朝向采空區(qū)一側(cè)，每節(jié)聚能管安裝1個(gè)D50 mm鉆孔用定位塊，確保聚能與預(yù)裂方向一致。

圖4 聚能藥包定向斷裂炮孔布置

圖5 聚能藥包定向斷裂炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

2) 判斷依據(jù)：根據(jù)措施孔內(nèi)縱向裂縫的有無(wú)和長(zhǎng)短可以直觀判斷出預(yù)裂切頂爆破效果的好壞，進(jìn)而分析出預(yù)裂切頂爆破炮孔的間距或施工是否合理。若在觀測(cè)孔內(nèi)未發(fā)現(xiàn)縱向裂縫或只有局部縱向裂縫，說(shuō)明炮孔間距偏大，應(yīng)縮小炮孔間距；若在觀測(cè)孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)縱向裂縫長(zhǎng)度達(dá)裝藥長(zhǎng)度60%以上，說(shuō)明炮孔間距合理；若在觀測(cè)孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)縱向裂縫長(zhǎng)度達(dá)裝藥長(zhǎng)度90%以上，且孔內(nèi)有巖石破碎現(xiàn)象，說(shuō)明炮孔間距偏小，應(yīng)增大炮孔間距。

3) 效果分析：使用窺視儀對(duì)炮孔進(jìn)行窺視，結(jié)果見(jiàn)圖6，預(yù)裂切頂爆破后在措施孔內(nèi)均產(chǎn)生了明顯縱向裂縫，但是裂縫生成長(zhǎng)度不夠，裂縫分布也不均勻，沒(méi)有定向擴(kuò)展規(guī)律；另外措施孔內(nèi)14 m處出現(xiàn)巖石碎片，有塌孔現(xiàn)象，此次爆破沒(méi)有達(dá)到爆破預(yù)期效果。

圖6 炮孔窺視效果

3 切頂卸壓技術(shù)工藝優(yōu)化方案

針對(duì)前期爆破沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果，經(jīng)井下現(xiàn)場(chǎng)打鉆、取芯對(duì)比后，與原提供的地質(zhì)資料存在差異。需重新優(yōu)化確定炮孔長(zhǎng)度，理論計(jì)算具體過(guò)程如下：

1) 切頂高度計(jì)算。為使綜放工作面頂板垮落矸石充滿采空區(qū)，則切頂高度可根據(jù)如下公式計(jì)算：

C=(1-η)TKm

式中：Mz為切頂高度，m；KA為垮落巖層的碎脹系數(shù)，取1.25；H為割煤高度，取3.2 m；T為頂煤厚度，取2.6 m；SA為老頂下位巖梁觸矸處的沉降值，在一般采場(chǎng)SA=0.2H；C為殘煤厚度,m；η為放出率，取0.85；Km為頂煤垮落后的碎脹系數(shù)，取1.1；經(jīng)計(jì)算得：C=0.429 m，Mz=18.9 m。

2) 炮孔長(zhǎng)度計(jì)算。根據(jù)以上分析，頂煤和頂板矸石完全充滿采空區(qū)的切頂高度為18.9 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂板取芯柱狀圖得出：確定沿空留巷頂板上方垂直高度16 m范圍內(nèi)巖層為主要弱化對(duì)象。因此，炮孔長(zhǎng)度L為：

L=Mz/sinβ

經(jīng)計(jì)算得：L=16.46 m，根據(jù)取芯結(jié)果以及其他礦井爆破施工經(jīng)驗(yàn)，取炮孔長(zhǎng)度16 m,即可保證關(guān)鍵層破斷，滿足綜放沿空留巷切頂卸壓要求。因此，將裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化為：炮孔長(zhǎng)度16 m，裝藥長(zhǎng)度4 m，封孔5 m，孔底不封孔。裝藥段爆破頂板關(guān)鍵層，從而消除關(guān)鍵層懸頂現(xiàn)象，降低沿空巷道頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉(zhuǎn)變形壓力。優(yōu)化后裝藥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7 優(yōu)化后裝藥結(jié)構(gòu)

4 切頂卸壓優(yōu)化后效果及留巷效果分析

切頂卸壓方案優(yōu)化后，爆破效果較前期未優(yōu)化方案，效果明顯，基本達(dá)到爆破預(yù)期效果及目的；留巷結(jié)束后，通過(guò)圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，巷道整體變形量不大，基本滿足巷道復(fù)用要求。

4.1 爆破效果分析

使用窺視儀窺視后，結(jié)果見(jiàn)圖8，從圖中可看出，預(yù)裂切頂爆破后在措施孔內(nèi)產(chǎn)生了明顯縱向裂縫且裂縫長(zhǎng)度達(dá)到了裝藥長(zhǎng)度60%以上、孔內(nèi)也沒(méi)有巖石破碎現(xiàn)象，證明預(yù)裂爆破有效果且效果較好，炮孔間距也合適；爆破后切縫線構(gòu)成了一個(gè)結(jié)構(gòu)面。

預(yù)裂切頂爆破后既沒(méi)有對(duì)留巷頂板造成破壞，也沒(méi)有對(duì)巷道頂板錨索的端錨位置巖體結(jié)構(gòu)造成破壞，導(dǎo)致錨索失效；回采面采空區(qū)直接頂上部的亞關(guān)鍵層垮落緩慢下沉，不存在隨采隨跨壓力集中顯現(xiàn)的情況。

圖8 優(yōu)化后炮孔窺視效果

4.2 留巷后圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)留巷后巷道實(shí)際情況，分為3段對(duì)巷道礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行分析，分別為前0～140 m(前段)、140～300 m(中段)、300～387 m(末段)，具體分析情況如下，礦壓監(jiān)測(cè)站布置如圖9所示。

圖9 沿空留巷礦壓測(cè)站布置

1) 留巷前段。前140 m留巷段巷道表面位移自留巷施工結(jié)束至今變化量不大，趨于穩(wěn)定。沿空留巷設(shè)計(jì)高度3.8 m，現(xiàn)巷高3.1 m，設(shè)計(jì)寬度4.5 m，現(xiàn)平均寬度3.9 m，個(gè)別柔模墻體上部有破損現(xiàn)象。

在留巷30 m處布置一處位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并第一次記錄數(shù)據(jù)，取該段第1組測(cè)點(diǎn)進(jìn)行圍巖變形分析，第2組數(shù)據(jù)100 m后變形量基本穩(wěn)定，無(wú)變化，監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)圖10。

圖10 留巷前段位移觀測(cè)變化

通過(guò)位移變化量曲線圖可知：頂沉量：在工作面回采70 m范圍內(nèi)，頂板下沉量總體不超過(guò)50 mm，回采70 m至120 m的范圍內(nèi)頂板下沉量逐漸增加到100 mm；考慮到測(cè)量誤差因素，總體上頂板下沉緩慢，變化量較??；底鼓量：回采100 m范圍內(nèi)底鼓量在100 mm之內(nèi)緩慢增加，工作面回采超過(guò)100 m，底鼓量突然增大到150 mm(該處進(jìn)行過(guò)淤泥清理工作)，之后趨于平緩；結(jié)論：目前回采里程140 m范圍內(nèi)底鼓量變化較小，局部地段適當(dāng)進(jìn)行起底工作。

墻體移近量：墻體移近量在測(cè)量范圍內(nèi)總體變化量不超過(guò)50 mm。

煤幫移近量：煤幫移近量總體上在50 mm范圍內(nèi)波動(dòng)。

2) 留巷中段。在留巷距離160 m處布置中段位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(即3號(hào)測(cè)站)，此處是沿空留巷礦壓顯現(xiàn)最明顯區(qū)域，監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)圖11。

圖11 留巷中段位移觀測(cè)變化

通過(guò)位移變化量曲線圖，得出：頂板下沉量：在工作面回采63～70 m范圍內(nèi)，該段頂板下沉量最大100 mm；回采93 m時(shí)，頂板下沉量為200 mm，有所增加；回采至181 m時(shí)，頂板下沉量由200 mm增加到450 mm；181 m以后，漸趨于穩(wěn)定，下沉量不大。

底鼓量：回采63 m范圍內(nèi)底鼓量在50 mm之內(nèi)，變化較小；工作面回采到93 m時(shí)，巷道發(fā)生輕微底鼓，底鼓量150 mm左右；回采至181 m時(shí)，底鼓量逐漸增大到320 mm；216 m后巷道底板漸趨穩(wěn)定。

墻體移近量：在工作面回采63 m范圍內(nèi)無(wú)變化，工作面回采至63 m范圍外逐步向采空區(qū)移動(dòng)，移動(dòng)量為50 mm。

煤幫移近量：據(jù)工作面30 m范圍內(nèi)，煤柱側(cè)幾乎沒(méi)有變形，隨著工作面推進(jìn)，頂板壓力增大，幫鼓量也開(kāi)始增大，距工作面63～70 m，幫鼓量逐漸增至120 mm；之后隨著與工作面距離的增加到93 m，幫鼓量增大至250 m；與工作面距離在93 m以后，幫鼓量急劇增加至710 mm；與工作面距離在216 m以后出現(xiàn)穩(wěn)定。

由該測(cè)站的觀測(cè)數(shù)值可知，在沿空留巷期間，巷道的圍巖收斂量均不大，頂板下沉量最大為480 mm，底鼓量最大為320 mm，墻體移近量最大為50 mm，煤幫移近量最大為710 mm。煤幫移近量較大的原因在于工作面回采期間，煤柱幫屬于采場(chǎng)上覆巖層中橫三區(qū)的煤壁支承區(qū)，該區(qū)域在回采區(qū)域?qū)儆趹?yīng)力增高區(qū)，而常村煤礦煤層較軟，硬度系數(shù)僅為0.4，在高應(yīng)力的影響下，煤體發(fā)生破碎，塑性形變進(jìn)一步加劇，致使幫鼓量較大。同時(shí)，自沿空留巷后，在回采過(guò)程中有兩次較大的來(lái)壓，一次位于距工作面63～93 m范圍內(nèi)，在該范圍內(nèi)，受到3～4次周期來(lái)壓影響，頂板發(fā)生離層，采空區(qū)側(cè)上方老頂在原有裂隙帶的基礎(chǔ)上破斷，覆巖運(yùn)動(dòng)劇烈導(dǎo)致頂板離層值迅速增加，巷道出現(xiàn)來(lái)壓；一次位于距工作面93～191 m范圍內(nèi)，初步分析，該時(shí)期進(jìn)入壓實(shí)區(qū)，采空區(qū)深部巖層頂出現(xiàn)垮落下沉，作用于所留巷道，造成一次較大的來(lái)壓，巷道變形量也明顯增加。

3) 留巷末段。留巷末段礦壓與圍巖觀測(cè)整體變化量不大，巷內(nèi)平均高度3 100 mm，平均寬度4 200 mm，巷道下沉量、底鼓量、幫收斂量基本上在50 mm左右，不需要進(jìn)行二次修復(fù)，滿足留巷復(fù)用要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 預(yù)裂切頂爆破的關(guān)鍵是確定合理的爆破參數(shù)，使用預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)后,既不會(huì)對(duì)留巷頂板造成破壞，也不會(huì)對(duì)巷道頂板錨索的端錨位置巖體結(jié)構(gòu)造成破壞，爆破后切縫線構(gòu)成了一個(gè)結(jié)構(gòu)面，回采面采空區(qū)直接頂上部的亞關(guān)鍵層垮落緩慢下沉，不存在隨采隨跨壓力集中顯現(xiàn)的情況。

2) 采用不耦合連續(xù)裝藥，導(dǎo)爆索多點(diǎn)起爆聚能藥包，每5個(gè)連續(xù)炮孔為一組，單次最多起爆5個(gè)炮孔。爆破后使用窺視儀窺視措施孔，確定爆破效果及時(shí)優(yōu)化爆破參數(shù)；最終確定了常村煤礦S5-16工作面切頂卸壓參數(shù)為炮孔傾斜角度75°、炮孔直徑50 mm，深度16 m、切頂長(zhǎng)度4 m，封孔長(zhǎng)度5 m、炮孔間距600 mm、裝藥量450 g/m時(shí)爆破效果最好。

3) 常村煤礦S5-16綜放工作面沿空留巷切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程中的成功運(yùn)用：留巷后壓力沒(méi)有集中顯現(xiàn)，圍巖變形得到有效控制，對(duì)于其他煤礦綜放工作面使用切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。