深孔聚能頂板預裂爆破沿空留巷技術研究及實驗應用

劉雨濤 李燕平 張開加 郭懷廣

摘 要：分析沿空留巷技術特點和難點，有針對性地提出“深孔聚能頂板預裂爆破”技術，并采取預制塊砌墻護巷方案，通過高山煤礦1902工作面的現場實驗考察，驗證了上述頂板預裂爆破技術及預制塊砌墻護巷技術在解決沿空留巷技術難題方面的作用，有效減輕巷道的變形，解決巷道維護困難及漏風問題，對該項技術在本礦區其他工作面以及類似地質條件的其他礦井中的推廣應用具有較高的參考價值和指導意義

關鍵詞：沿空留巷；深孔聚能；頂板預裂爆破；預制塊；巷道維護

中圖分類號：TD353 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0063-03

Abstract： This paper analyzes the technical characteristics and difficulties of gob-side entry retaining， puts forward the "deep-hole shaped roof pre-splitting blasting" technology， and adopts the precast block masonry wall to protect the roadway， through the field test investigation of the 1902 working face in the high mountain coal mine. The effect of the roof pre-splitting blasting technology and the precast block masonry wall protection technology upon solving the technical problems of gob-side entry retaining is verified， and the deformation of the roadway is effectively reduced， the difficult maintenance of the roadway and the problem of air leakage are solved. It is of high reference value and guiding significance for the popularization and application of this technology in other working faces and other mines with similar geological conditions in this mining area.

Keywords： gob-side entry retaining； deep-hole energy accumulation； roof presplitting blasting； precast block； roadway maintenance

高山煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，主采的9號煤層具有煤與瓦斯突出危險性。為治理礦井瓦斯，在掘進機回采前需采取穿層或順層鉆孔預抽煤層瓦斯。采掘前的瓦斯治理工作需要較長時間，導致采掘接替十分緊張。為緩解該情況，目前礦井較多采用沿空掘巷技術，以減少瓦斯治理所需時間，該技術在縮短瓦斯治理時間上起到一定作用，但也帶來了一些新的問題：小煤柱留設寬帶一般為5m，在工作面回采過程中小煤柱一側巷道變形嚴重，支護、維修存在較大困難；小煤柱在多次集中應力的影響下，而小煤柱另一側為采空區，煤層原始賦存狀態被破壞，容易導致漏風，采空區瓦斯在風壓作用下被帶入巷道及工作面；高山煤礦9號煤層自然發貨期較短，小煤柱在多次集中應力的影響下，煤層原始賦存狀態被破壞，不利于礦井火災防治[1][2]。

為進一步縮短回采前的巷道準備及瓦斯治理時間，礦井擬采用沿空留巷技術。采用沿空留巷技術可以減少一條回采巷道的掘進工程量，但是，傳統沿空留巷技術依然存在支護困難及臨近工作面采空區漏風情況[3]。為解決上述問題，提出“深孔聚能頂板預裂爆破”沿空留巷技術，并在高山煤礦1902工作面進行實踐應用。

1 深孔聚能頂板預裂爆破

深孔聚能預裂爆破頂板沿空留巷是通過聚能預裂爆破后的預裂面改變了沿空留巷巷道上覆懸伸頂板巖體的結構，引起巖層移動規律發生相應的改變。在采面頂板周期來壓作用下，懸伸巖層在上覆壓力擠壓下沿預裂面切落（垮落），極大消散了沿空留巷巷道圍巖的應力集中程度，應力集中向圍巖深部轉移，改善了沿空留巷巷道的圍巖應力環境，減小了巷內支護的受力及巷旁支護的阻力和應力集中程度，最終提高沿空留巷巷道穩定性[4][5]。

深孔聚能預裂爆破技術方案及參數設計如下：

1.1 深孔聚能預裂爆破起始位置

切頂卸壓沿空留巷起始位置的選擇在一定程度上影響著最終的成巷效果。為保證工程項目的順利實施及施工安全，在選擇起始位置時，要綜合考慮多種因素，慎重選擇。根據高山煤礦9號煤層實測礦壓資料，預計工作面的礦壓情況如下：（1）基本頂初次來壓步距為25～50m。（2）基本頂周期來壓步距為25～45m。可確定于距離開切眼后18m（初次來壓步距的1/2）即可消除新切眼的干擾。安全起見，在距離切眼后20m進行預裂爆破切頂施工。

1.2 炮孔深度（預裂爆破切縫高度）設計

聚能爆破炮孔深度與煤層頂、底板巖性及厚度、煤層厚度、工作面采高及順槽斷面尺寸有密切聯系。炮孔深度是否合適將直接影響到爆破切頂效果，以及頂板垮落程度及施工工程量。1902工作面采用綜合機械化開采，煤層直接頂板為粉砂巖、泥土巖，平均厚度為1.09m。基本頂板為粉砂巖，平均厚度為5.92m。煤層厚度為1.7m，下順槽斷面為矩形，斷面規格：凈寬×凈高=4.2m×2.0m，斷面積為8m2。根據高山煤礦施工經驗，并結合現場經驗（頂板垮落容易），設計炮眼深度5m，炮眼角度為90°（垂直于頂板）。

1.3 施工順序及施工工序

炮孔沿巷道按工作面推進方向從里往外逐段施工。

施工工序：（1）正常回采時：割煤→移架→沿空留巷施工。（2）頂板破碎時：移架→沿空留巷施工→割煤。

1.4 沿空留巷支護方式及相關要求

（1）單體支柱配合鉸接頂梁支護：采用DW22～DW25型單體液壓支柱配合HDJB-1200型鉸接頂梁沿爆破地點的預裂線走向架設兩排棚進行支護，排間距為300mm，柱距為600mm。根據爆破實際情況，在有需要的情況下，在沿采空區一側的單體柱上用鐵絲捆綁金屬網（雙層）隔離采空區。沿巷道下幫采用DW22～DW25型單體液壓支柱配HDJB-1200型鉸接頂梁架設單排棚進行支護，柱距600mm。

（2）錨索配合錨網支護：在原來錨桿配合金屬網支護頂板的基礎上，沿著沿空留巷巷道中心線每隔2.4m施工一根規格為直徑×長度=0.01524m×6.0m的錨索。如果在留巷后頂板巷道壓力大增加下幫壓力，煤壁有嚴重片幫時，可以在實煤體側的巷幫上加掛金屬網并加打兩排管縫錨桿，錨桿規格為直徑×長度=0.042m×1.4m。間排距為1.0m×1.0m。如圖2所示。

2 現場觀測分析

在1902工作面采用深孔聚能頂板預裂爆破技術過程中，對運輸巷及回風巷圍巖應力分布、變形規律、錨桿錨固力等進行監測。分析采用深孔聚能頂板預裂爆破措施前后，煤體走向及側向應力分布、基本頂斷裂位置、塑性區分布、超前支護范圍以及滯后壓力高峰位置等的變化情況。

2.1 頂板離層監測

頂板離層儀是適用于監測巷道頂板圍巖層分離時所產生位移的專用監測儀器，為工程技術人員掌控錨桿支護及巷道頂板在受采動影響時的圍巖離層量的變化情況。

頂板離層儀的兩個固定裝置（錨爪）固定在鉆孔中不同深度處，錨爪隨巖層的變化而發生相對移動，其量通過儀器內傳感器記錄下，通過頂板不同層位的位移差，從而判斷出巷道頂板的穩定性和錨桿支護效果。頂板離層儀安裝位置如圖3所示，觀測結果如表1所示。觀測顯示在觀測期內，頂板離層值較小，頂板是穩定的。

2.2 巷道斷面圍巖變形觀測

巷道斷面變形采用十字分布點法來進行，如圖4所示。觀測斷面與離層斷面位置對應。該部分數據由監測人員每天下井記錄一次，觀測結果如表2所示。從觀測結果看，后期頂底板平均變形總量基本維持在300±50mm，兩幫平均變形總量維持在200±20mm，墻體基本穩定。

2.3 煤體應力觀測

煤體應力的監測采用液壓型煤體應力計監測，該部分數據由監測人員每天下井記錄一次。安裝方法及參數：煤體應力監測共布置10個應力傳感器。由于工作面呈近水平，所以只布置在工作面一條順槽內即可，沿煤柱側施工應力觀測鉆孔，并安裝液壓型煤體應力計。墻體應力監測結果如圖5和圖6所示。從監測數據來看，砌墻約150m以后，墻體受力基本穩定。

2.4 深孔聚能爆破沿空留巷實施情況前后對比

頂板預裂爆破后，頂板巖體膠結穩固性遭到破壞，隨著回采的推進，頂板又進一步受到作業的擾動，慢慢地發生下沉，出現裂隙和斷裂現象。由于人工先采取了預裂爆破措施后，頂板斷裂就會先發生在已遭破壞的巖體中進行，于是巖體就會沿著預裂爆破的炮眼先發生裂隙和斷裂，為下一步沿著預裂爆破炮眼發生垮落創造了條件。

2.5 深孔聚能爆破沿空留巷巷旁支護選擇

頂板預裂切頂卸壓沿空留巷的實施能否成功，后期能不能達到預期的留巷效果，在很大程度上取決于巷旁支護對巷道的維護作用。在后期的觀察中，由于頂板壓力較大，使用單體棚作為巷旁支護導致留出的巷道毛邊多，垮落不齊整，巷道返修率高，后期巷道變形較大，單體棚損壞嚴重等問題，直接導致沿空留巷效果，影響沿空留巷的正常使用。為此，在采用深孔聚能預裂爆破頂板措施后，使用單體柱作為臨時支護，使用高強度預制塊砌墻作為永久性巷旁支護[6]。

3 效果分析

以上監測結果顯示，采用“深孔聚能頂板預裂”方式在1902工作面沿空留巷效果總體良好，利用混凝土“預制塊砌墻”作為巷旁支護可以有效控制頂板下沉，保證所留巷道的整體穩定性，該項目在高山煤礦取得了成功。

4 效益分析

4.1 留巷成本降低

根據計算，沿空留巷材料成本、人工成本總計為：868元/m。而沿空掘巷每米成本約為2000元，經濟效益明顯。

4.2 回收煤柱增產

采用沿空留巷后，由于取消了煤柱，每個工作面可以多回收一條20m寬的煤柱（無煙煤），現在每噸煤按280元計算，則每米巷道可回收煤柱增產的效益為1×1.7 20 1.6 280=15232元，本工作面推采長度710m計，回收煤柱增產效益為1081.5萬元。

4.3 由于不再掘進煤巷，從而減少了瓦斯治理投入，以本礦井煤巷瓦斯治理成本2520元/m計，本工作面推采長度710m計，采后將減少掘進710m， 減少瓦斯治理投入178.9萬元。

5 結束語

深孔聚能預裂爆破頂板沿空留巷項目取得較好的經濟效益和社會效益，有效緩解高山煤礦采掘接替緊張的問題，對該項技術在本礦區其他工作面以及類似地質條件的其他礦井中的推廣應用具有較高的參考價值和指導意義。

參考文獻：

[1]高浩，崔廷鋒，張魁，等.沿小煤柱沿空掘巷技術[J].煤礦安全，2012，4：106-108.

[2]曹建軍.深井采場沿空掘巷關鍵技術研究[D].山東科技大學，2008：2-5.

[3]尹根成，張軍.沿空留巷技術研究現狀與展望[J].煤炭工程，2007，5：32-34.

[4]李雪.老頂斷裂位置對沿空留巷頂板及煤柱穩定性影響研究[D].安徽理工大學，2015：23-31.

[5]薛博.沿空留巷頂板結構穩定性分析[J].中州煤炭，2016，4：65-69.

[6]吳蔚.混凝土砌塊墻巷旁支護沿空留巷技術研究與應用[D].山東科技大學，2013：3-8.