文 力

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)神角煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

0 引言

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)無煤柱巷道保護(hù)技術(shù)主要是隨工作面開采和巷道旁充填而發(fā)展起來的沿空留巷技術(shù)，在采空區(qū)邊緣保留原有巷道[1]。因此，用于護(hù)巷的煤柱不再服務(wù)巷道的下一段。目前廣泛采用的沿空留巷技術(shù)多采用巷道旁充填支護(hù)的方式，然而，頂板的傳力結(jié)構(gòu)是不能改變的。以充填體為主體，承受著頂板的巨大壓力，往往會(huì)造成采空區(qū)側(cè)進(jìn)巷道嚴(yán)重變形，最終造成維護(hù)成本高、安全隱患大等問題。為此，根據(jù)山西某煤礦的實(shí)際情況，采用了一次采全高綜采工作面卸壓留巷技術(shù)，并對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，保障了該煤礦的安全生產(chǎn)。

1 1014 工作面及其支護(hù)概況

1.1 工作面概況

山西某礦1014 綜采工作面為下10 煤層第4 個(gè)綜采工作面，其開采平面為不規(guī)則矩形，回采面長(zhǎng)度為160 m，上巷為2879 m，下巷為2794 m。1014 工作面煤層厚度為3.4～4.8 m，其平均厚度大約為4.2 m，煤層傾斜角度為9°～16°，平均傾角為12°。試驗(yàn)工作面采煤方式為一次采全高搭配綜合機(jī)械化開采，頂板管理方式為全部垮落法。1014 工作面上巷采用頂切支護(hù)巷道，支護(hù)巷道斷面長(zhǎng)度為600 m。當(dāng)沿空留巷工藝結(jié)束后，其成為相鄰工作面的回采巷道。

1.2 巷道頂?shù)装鍘r性及支護(hù)概況

1014 工作面上巷（支護(hù)段）頂板為細(xì)砂，底板為細(xì)砂巖和含礫砂巖，厚32.2 m。工作面頂板為細(xì)砂巖，底板為6.2 m 厚粉砂巖，巷道頂?shù)装寮皣鷰r穩(wěn)定性差。試驗(yàn)工作面上側(cè)巷道為較規(guī)則梯型，其開挖寬度為5.08 m，凈寬5.0 m，開挖面16.3 m2，凈斷面16.0 m2。頂板用鋼筋螺栓和金屬網(wǎng)支撐，側(cè)壁用樹脂螺栓和塑料網(wǎng)支撐，頂板螺栓間距為1000 mm、1000 mm，上下螺栓間距為1000 mm、800 mm，頂板螺栓為Φ18 mm×1800 mm 螺紋鋼螺栓，側(cè)板螺栓為Φ16 mm×1600mm樹脂螺栓，頂板設(shè)有6 排螺旋鋼螺栓，采用“螺栓網(wǎng)+螺栓”組合支撐。

2 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)

2.1 恒阻錨索加固支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂或爆炸破壞時(shí)，利用恒阻的大變形錨索進(jìn)行強(qiáng)化，以提高巷道挖掘過程和循環(huán)來壓過程的安全性。為了最大程度的充分發(fā)揮恒阻錨頭的保護(hù)功能，減少預(yù)裂爆破傷害和頂板坍塌的危害，常阻錨索長(zhǎng)度通常比預(yù)裂爆破高2 m 以上，并保證錨索端部處于穩(wěn)定巖層中[2]。根據(jù)巷道的地層分布和原有支護(hù)參數(shù)，確定了定阻錨索的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。

與原始煤柱開采不同，自成型無煤柱巷道的塌陷位置和時(shí)間具有一定的規(guī)律，即工作面超前后，頂板巖體從裂隙線塌陷，巖體移動(dòng)；從塌落高度看，自成型無煤柱巷道工藝使頂板“兩帶”高度低于原采工藝。因此，12.3 m 恒阻錨桿對(duì)恒阻錨索預(yù)應(yīng)力不產(chǎn)生影響。

1014 工作面上巷布置兩排大變形恒阻錨索，其中一排恒阻錨索距煤層鉆孔400 mm（距采動(dòng)巷道煤側(cè)500 mm），間距為1000 mm，相鄰錨索由3000×300 mm×5 mm 的W 型鋼帶連接；第二排恒阻錨索布置在巷道中心線處，間距為2000 mm。圖1 為1014工作面上巷恒阻錨索加固縫鉆施工圖。

2.2 頂板預(yù)裂爆破施工工藝

在頂板預(yù)裂爆破的施工工藝中，應(yīng)用了雙向聚能預(yù)裂炸藥爆破技術(shù)，在兩個(gè)產(chǎn)生聚能效應(yīng)的聚能裝置中，安放了相應(yīng)規(guī)格的炸藥。爆破后，再運(yùn)用對(duì)巖體的擠壓與牽拉特性，將炮孔圍巖均勻地?cái)D壓并沿預(yù)定方向集中拉長(zhǎng)，使之沿預(yù)定方向迅速拉長(zhǎng)成型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了張拉爆破成型的目的。

2.2.1 切縫鉆孔深度與間距

預(yù)裂縫鉆孔深度H縫與采高、頂板下沉、底鼓等因素密切相關(guān)，通常采用以下算式進(jìn)行計(jì)算：

式中：H煤為采場(chǎng)開采高度，m；ΔH1為頂板的沉降量，m；ΔH2為下鼓量，m；K 為破碎膨脹率，按巖性計(jì)算，K值為1.4。

在排除底鼓和頂板沉降的前提下，根據(jù)頂?shù)装鍘r性和以往工作經(jīng)驗(yàn)，得出了預(yù)裂槽的開孔深度為10 m。切縫與巷道側(cè)壁距離為100 mm，切割面與垂直方向的角度為15°，切割孔的距離為500 mm。

2.2.2 爆破工藝參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行單孔試驗(yàn)，確定合理的裝藥量和充填長(zhǎng)度，然后進(jìn)行間歇爆破，觀察相鄰兩個(gè)裝藥孔之間的窺視孔。一旦發(fā)現(xiàn)相鄰兩個(gè)裝藥孔之間的窺視孔裂紋不符合要求，再次進(jìn)行連續(xù)爆破試驗(yàn)，最終確定爆破孔數(shù)、爆破方法等主要爆破工藝參數(shù)。

雙向聚能管由專用的聚能管制成，其內(nèi)徑設(shè)為36.5 mm，外直徑42 mm，長(zhǎng)度1500 mm。聚能爆破采用3 級(jí)乳化炸藥，其尺寸為32 mm×200 mm，并采用炮泥密封，孔長(zhǎng)不得少于2.0 m。參考其他煤礦的施工經(jīng)驗(yàn)，1014 綜放工作面上巷采用了提前50 m 的預(yù)裂切割裂縫。

2.3 堅(jiān)硬頂板切頂方案

鑒于1014 工作面覆砂巖較堅(jiān)硬，采空區(qū)頂板后懸掛支架間距過大，或采空區(qū)煤矸石冒落較大時(shí)，為避免頂板應(yīng)力集中和采空區(qū)漏風(fēng)，在頂板原有預(yù)孔的基礎(chǔ)上，在頂板上挖扇形孔，采用深孔松動(dòng)爆破軟化工作面堅(jiān)硬砂巖頂板，使頂板充分預(yù)裂松動(dòng)，保證頂板在采空區(qū)的坍塌和充填[3]。兩組爆破松動(dòng)孔各為一組，孔深分別為11 m 和14 m，垂直方向?yàn)?0°和45°（向采空區(qū)傾斜），兩組爆破松孔間距為5 m。松動(dòng)爆破孔位置如圖2 所示。ZDY1900S 深孔鉆頭用于深孔松動(dòng)爆破，直徑94 mm。

圖2 松散爆破孔的位置（單位：mm）

該工程采用的松散爆破孔上部裝有3 級(jí)乳化炸藥，其長(zhǎng)度為3000 mm，藥片尺寸為32 mm×200 mm，為了確保爆炸的安全性，采用6 m 長(zhǎng)的封孔。為確保安全、簡(jiǎn)化操作、充分引爆、確保爆破的可靠性，每個(gè)孔洞內(nèi)用兩個(gè)微秒級(jí)延遲電雷管引爆，每次只能引爆一套。為了防止爆炸氣體從孔口中涌出，對(duì)巖體造成連續(xù)的影響，使爆破能量得到最大限度的發(fā)揮，從而增強(qiáng)了超前松散爆破的效果。在1014 綜放工作面上，采用扇形深孔松散爆破孔，對(duì)頂板進(jìn)行了軟化處理，并在后續(xù)的跟蹤觀察中，根據(jù)深孔爆破后的崩塌情況，適時(shí)調(diào)整深孔松動(dòng)爆破的各項(xiàng)參數(shù)，以保證取得最好的效果。

3 效益分析

3.1 技術(shù)效益

在1014 大采高、綜采工作面上的應(yīng)用，開辟了一種新的采煤技術(shù)，開創(chuàng)了采煤技術(shù)變革的新局面。并在此基礎(chǔ)上，提出了110 工法大采高綜采工作面的新技術(shù)，并完善了110 工法的相關(guān)理論。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并給出了110 工法在硬頂板環(huán)境下的合理支護(hù)與設(shè)計(jì)。最后，對(duì)巷道的圍巖分布進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整，使巷道的變形量、巷道底鼓量明顯減小；采場(chǎng)和巷道的圍壓明顯降低；采動(dòng)過程中，因切縫技術(shù)的存在，超前壓降明顯降低，提高了采場(chǎng)的推進(jìn)速度，減少了采空區(qū)頂?shù)装宓膽?yīng)力集中。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

1）節(jié)省巷道施工費(fèi)用。利用山西某煤礦1014 工作面剩余1000 m 工作面，通過該技術(shù)可減少巷道掘進(jìn)1000 m，按4000 元/m 的計(jì)算，可節(jié)省掘進(jìn)工量，降低掘進(jìn)工人的工作量，降低班組人數(shù)，節(jié)省設(shè)備購(gòu)置、維修費(fèi)用，節(jié)約大量掘進(jìn)經(jīng)費(fèi)，有利于整體效益的提高。

2）提高采煤的利用率。山西某煤礦傳統(tǒng)的采煤方法是工作面間預(yù)留30 m 煤柱。在4.2 m 采高的基礎(chǔ)上，采用新的沿空留巷技術(shù)，巷道可多采煤157.95 t/m；按600 元/t 的市場(chǎng)價(jià)計(jì)算，巷道可增收94.77 萬元/m。

3）降低巷道的支護(hù)費(fèi)用。采用切頂卸壓的施工工藝，利用“切頂短臂”理論，使巷道沿著采空區(qū)邊緣切頂，阻斷部分頂板壓力，并借助局部頂板巖體，使巷道頂板梁形成短臂，減少圍巖應(yīng)力集中，降低周期性頂板壓力，確保巷道及其圍巖的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

一次采全高綜放工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)是一種新型的采煤技術(shù)，為國(guó)內(nèi)同類礦山的推廣應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。試驗(yàn)成功后，各工作面減少一條回采巷，減少了巷道的掘進(jìn)量，減輕了煤礦的采掘矛盾，增加了煤炭的出采量；減少煤柱，增加采煤回收率，延長(zhǎng)煤礦使用壽命，使煤礦資源得到充分開發(fā)；通過對(duì)巖體碎脹特征的分析，可以有效地降低地表裂縫的發(fā)生，從而有效地保護(hù)礦山的地表生態(tài)，使礦山的生產(chǎn)達(dá)到現(xiàn)代化、高產(chǎn)、高效。