采煤工作面錨網索支護沿空留巷技術的研究與應用

鄧澤超

（冀中能源峰峰集團，河北邯鄲056200）

1 工作面地質概況

工作面開采2#煤。層位較穩定，煤層傾角8～18°，平均13°，平均厚度2.4m，工作面直接頂為6m細砂巖，斜交層理發育，工作面采用傾斜長壁后退式輕型放頂煤采煤方法，頂板采用全部垮落法管理。

2 頂板預裂爆破切頂技術留巷原理

超前采面煤壁一定距離（在高峰壓力前），對順槽巷道采面一側頂板進行預裂爆破，使之形成一定深度的并與鉛垂線有小夾角的立面貫穿裂縫。采面向外推進，采空區頂板垮落，采面一側的頂板沿立面貫穿裂縫切頂垮落，垮落的巖體成為留巷的巷幫。當采空側頂板切頂垮落后，順槽巷道頂板成為懸壁梁，在錨索、錨桿懸吊和組合梁作用以及巷道內單體支柱的支撐下，維持平衡。隨著采面向外推進，采空區后方頂板，進一步垮落，垮落的矸石填充了采空區后方的空間，支撐了上覆巖層，對沿空留巷頂板給予一定支撐，逐漸趨于穩定，形成沿空留巷。

在沿空留巷過程中，預裂爆破技術是關鍵，其頂板能否形成預裂面，預裂面的角度、深度是否合理，是沿空留巷能否成功的主要因素。

3 工作面順槽沿空留巷的設計

設計方案如下：

①沿空留巷采用頂板定向預裂爆破、錨索工字鋼預加固聯合切頂技術，現巷道規格：4×2.6m，留巷后設計規格：3.3×2.7m。（詳見圖1）

②錨索工字鋼預加固施工超前支架位置20～50m完成，無縫鋼管打設與支架位置同步，并進行施工質量監測。同步安設常規礦壓監測裝置。錨索工字鋼加固方式：順巷道走向打設2排錨索工字鋼，自下幫至上幫方向排距依次為400mm、1500mm,間距800mm，并與2m長18#工字鋼連鎖，錨索采用φ21.6mm×10m鋼絞線，無縫鋼管采用6寸充填管路（長度根據巷道高度制做，自制頂帽），間距為1m。

③超前支架位置不小于20m在溜子道頂板預裂爆破鉆孔施工及定向預裂爆破切縫。定向預裂爆破孔直徑為42mm，間距1.0m，每兩個爆破孔中間位置打一個導向眼，孔徑42mm。在采空區側掛設擋矸竹簾、礦用塑料網、板梁，掛網進度與支架位置同步。（詳見圖1）

圖1 預裂炮孔裝藥結構圖

④掛網后后期對老空側無縫鋼管頂幫進行噴漿，頂板噴漿寬度1m，噴漿厚度50mm，隔離墻噴漿厚度60mm。

4 沿空留巷施工工藝流程

安全確認→準備物料工具→超前煤壁30-50m打設錨索、工字鋼加固頂板→頂板加固后超前煤壁20m打設預裂炮孔與導向孔→割煤回采→無縫鋼管與1#端頭支架后柱同步打設→裱褙擋砟網與擋砟簾→無縫鋼管之間打設液壓點柱→滯后煤壁30m下幫兩排巷道液壓單體支護放頂→滯后煤壁50m上幫兩排巷道液壓單體支護放頂→下一循環。

后期：替換留巷液壓單體成無縫鋼管→集中噴漿。

5 雙向聚能頂板預裂爆破裝置原理

雙向聚能張拉預裂爆破，是借助雙向聚能裝置，實現在設定斷裂方向產生集中應力，利用爆破集中應力斷裂巖體，即在一種圓管材料上預定位置，雙向開縫，為實現預定效果，一方面，要求聚能管壁具有一定的強度，以減少爆轟產物對預留圍巖的損傷；另一方面，要求聚能管壁強度不能過大，以減少作用于聚能管上的能量消耗和減少裝置成本，為此，我們選用PVC管，并將其加工成便于現場安裝使用的雙向開縫的聚能管。在使用前，按照要求將其組裝成件，方便運輸和安裝。在控制爆破的一組炮孔中裝藥，使用組裝好的聚能管，按照規定結構進行操作，一定要使雙向開縫對準預裂方向，并將剩余炮孔段用炮泥封堵嚴實，一組炮孔同時起爆后，爆炸產生的沖擊波和應力波沿設定方向集中釋放，作用于雙向開縫對準的孔壁上，使炮孔與炮孔之間產生徑向初始裂縫，隨后，爆生氣體涌入，在集中張拉應力作用下，驅動裂縫擴展，斷裂巖體，從而形成定向控制爆破斷裂面，實現頂板切縫斷裂控制爆破，由于聚能管壁的緩沖保護作用，在爆炸過程中，減少了沖擊波和爆生氣體對保留圍巖的直接作用，從而抑制了非設定方向裂紋的發展，減少了對保留圍巖的損傷。

6 雙向聚能爆破技術參數

6.1 炸藥藥卷直徑、聚能管徑與炮孔直徑的選擇

炸藥藥卷直徑、聚能管徑與炮孔直徑三者必須相互匹配。預裂爆破的對象是2#煤層頂板巖層，巖層為砂頁巖，硬度系數4～5，與石灰巖相比，韌性較強，需要較大的藥力，為此，我們根據常用的機具和火藥品種，確定：炮孔直徑42mm，聚能管外徑36mm，乳化炸藥藥卷直徑32mm。

6.2 炮孔位置

根據沿空留巷的需要，切頂炮孔位置選擇在中間巷上幫頂角部位。

6.3 炮孔間距

留巷巷道采用錨網帶加錨索支護，帶距0.8m，為了方便施工規范操作，初定炮孔間距為0.4m（根據爆破效果可調整）。

6.4 炮孔角度

為了減小采空頂板垮落時與留巷頂板的摩擦力，并且考慮到采空頂板垮落后巖體能夠較完整的作為留巷的上幫，初定炮孔向采面一側偏斜，炮孔方向與鉛垂線夾角為5～10°。

6.5 炮孔深度

煤層采出后，直接頂巖層垮落而破碎，破碎后的巖層體積產生膨脹，其堆積充滿采空后方空間后，上覆巖層在自重荷載下，逐漸壓實，壓實過程，上覆巖層彎曲變形，對巷道支護影響較小，因此，采空頂板巖層垮落厚度即為炮孔深度。

采空頂板巖層垮落厚度取決于巖層的碎脹系數K，我礦2#煤層頂板巖層，屬于中硬巖層，碎脹系數為1.3～1.5，根據采空區垮落巖層較碎情況，取K=1.45。

需垮落巖層厚度：H=h（/K-1）=6.7m

h：采高，取3m K：巖層膨脹系數，取1.45

因此，炮孔深度設計為7m。

7 雙向聚能爆破結構

一個炮孔裝四段聚能管，第一段置孔底，雷管反向裝設，第二段、第三段和第四段依次裝入，雷管均正向裝設。

每段聚能管長1500mm，上250mm為炮泥，中間藥卷1000mm，下250mm為炮泥，聚能管中間兩側開縫長1000mm，寬5mm，剩余炮孔用炮泥封堵嚴實。

8 留巷效果

沿空留巷可使下一個工作面少掘一條巷道，有效緩解采掘接續緊張的問題，同時采用預裂爆破與錨索工字鋼聯合切頂技術，可有效控制巷道圍巖變形，減少巷道整修工作量，實現無煤柱護巷開采，減少一條區段保護巷煤柱，提高煤炭資源回收率。

9 結論

通過采用切頂沿空留巷技術，該工作面正常回采至結束，現場調查發現，切頂側頂板完整，留巷效果較好，采空區頂板垮落均勻，碎石矸可有效封閉采空區，非切頂側頂板巖層彎曲變形，其壓力從采空側向非采空側轉移，將導致留巷煤幫受壓鼓出、片幫變形破壞，留巷底板發生鼓起變形，使用前，需進行刷幫和臥底整修施工。

回采后，留巷切頂側頂板可能破碎，出現開裂現象，巷幫垮落不均勻，巖石較破碎，起不到支撐老頂作用，巷道寬度滿足不了生產需要，使用前需根據情況采取擴幫、架棚支護或單體支護，進行整修施工。