馬蘭礦綜放工作面切頂卸壓沿空留巷技術應用

崔小歡

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交，030205）

沿空留巷技術在煤礦開采中有效提高了煤炭資源的回采率，具有降低工作面上隅角瓦斯積聚，緩解采掘接續緊張等技術優勢。國內外學者對沿空留巷礦壓顯現規律、支護技術、填充材料等方面均進行大量的理論研究和現場實踐[1-3]。近幾年，淮南礦業集團為了解決低透氣性煤層群瓦斯治理難題，在學習、引進、消化德國沿空留巷技術的基礎上，開發了機械模板充填混凝土沿空留巷技術。該技術在一定程度上解決了煤礦井下現澆混凝土支模難題，目前主要在一些回采推進度較慢的薄煤層和中厚煤層中應用。

1 工作面切頂卸壓沿空留巷技術機理

一般工作面頂板斷裂有兩種形式[4-5]：

（1）頂板在煤柱上方斷裂，見圖1。如果頂板斷裂位置在煤柱上方，則煤柱作為巖梁一端的承載基，必然受力集中，煤柱塑性區范圍大，留設煤柱尺寸也就相應的大，浪費煤炭資源。

（2）頂板在采空區上方斷裂，見圖2。當頂板斷裂線位于采空區上方，則煤柱上方頂板為一懸臂梁結構，懸臂梁受力完全作用在煤柱上，同樣煤柱塑性區范圍大，需要留設較大的煤柱。

圖1 頂板斷裂位于煤柱上方

圖2 頂板斷裂位于采空區上方

采用聚能穴定向爆破對頂板側向切斷的辦法可以減小煤柱內的應力集中現象。如圖2所示，將頂板沿巷道上方切斷，避免左右兩側巖梁的“拉扯”作用而造成的煤柱應力集中，可以減小煤柱尺寸留設。此外，由于頂板切斷，應力集中轉移程度減小，下一個工作面的順槽巷道幫鼓和底鼓現象也會有所緩和。

2 工作面概況

馬蘭礦南五下組煤采區18504工作面開采石炭系太原組8號煤層，煤層厚度4.00～4.68 m，平均4.53 m，平均傾角為6°，結構簡單—復雜，含夾矸0～3層，屬穩定可采煤層。頂板為泥灰巖、粉砂巖。

工作面采用走向長壁采煤法，綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。該工作面主要采用雙滾筒采煤機割煤、裝煤、自行斜切進刀，割煤高度2800 mm±100 mm，截深0.8 m；工作面前后各安裝一部刮板運輸機運煤。工作面開口位于南五下組煤輔助運輸下山，西北側為18310采空區，東南側為18506工作面。其相鄰南三下組煤采區開采，在留設90 m護巷煤柱的情況下其輔助運輸下山仍出現大的變形，底板累計鼓起1.5 m，巷道經過多次維修投入了大量的人力物力，嚴重制約著采區高效生產。

3 工作面切頂卸壓沿空留巷技術應用

3.1 超前切頂卸壓爆破孔參數

（1）布孔方式

沿巷道走向靠回采側肩角布一排平行孔，炮孔直徑Φ=75 mm，炮孔傾角β=75°，見圖3。

（2）炮孔長度計算[6-7]

a、切頂高度計算

為使綜放工作面頂板垮落矸石充滿采空區，降低沿空留巷動壓，根據工程經驗，確定煤層頂板以上4倍采高范圍內的巖層屬于需要弱化巖層，切頂高度計算如下：

式中:MZ為切頂高度，m；H為工作面割煤高度，取3 m；T為工作面頂煤厚度，取2.47 m；SA為工作面老頂位于下部巖體的沉降值，一般取0.2H，m；C為殘煤厚度，m；KA為處于冒落帶巖體的碎脹系數，取1.4；η為放出率，取0.7；Km為頂煤垮落后的碎脹系數，取1.2。

經計算得：MZ=12.05 m。

b、炮孔長度計算

按照對切頂高度的計算可知，隨著巖石的碎脹作用，采空區完全被工作面上方煤體與頂板矸石充滿，其高度值為12.05 m，因此，其主要解決的區域為頂板上部13 m范圍的巖體，從而可以確定炮孔長度L。

經計算得：L=13.2 m。考慮到施工便利性，取炮孔長度L為14 m，初期進行試驗，然后經過試驗逐步將其參數設計至最優。

圖3 超前預裂爆破布孔參數

（3）炮孔間距計算[8-9]

a、按應力波疊加作用計算（采用不耦合裝藥）。

式中：a為炮孔間距，m；σt為巖石的抗拉強度，此處取3.69 MPa；p2為炮孔壁初始壓力峰值，MPa；p0炸藥密度，t/m3；D 爆速，m/s；n 為壓力增大倍數，此處n=10；b為側應力系數，此處33；α為應力波峰值在巖體內的衰減指數，此處a=2-b=1.67；rb為爆破影響范圍，m，dc為錨桿長度，m，db為錨固長度，m。

a1=2（0.33×1280/3.69）1/1.67×2.1×10-2=1.758 m。

b、按應力波與爆生氣體準靜壓共同作用計算。

在炮孔的密閉空間內，其應力波和爆生氣體的共同作用下，使得孔壁發生變形，該種狀態的力學模型為厚壁圓筒受到內壓作用下應力模型，可以根據彈塑性理論中的巖體強度準則和厚壁圓筒理論，得出：

式中：p0作用于炮孔壁的準靜態壓力。

當采用柱狀不耦合裝藥時，有：

因此，炮孔間距為a=a1+a2=1.758+0.42=2.178 m，同時考慮到炮孔壁初始壓力峰值和作用于炮孔壁的準靜態壓力都比巖體本身的抗壓強度要大得多，所以會出現能量損失，所以炮孔間距實際取1.5 m最為合適。

3.2 裝藥參數

采用孔底不耦合連續裝藥，裝藥長度8 m。單孔裝藥量為：

式中：q為每米裝藥量，kg/m，此處q=2.8125 kg/m；l為裝藥長度,m。

Q=q×l=2.8125×8=22.5 kg（90卷）

3.3 切頂卸壓柔模混凝土沿空留巷施工步驟

根據以上切頂卸壓爆破設計參數，沿空留巷采用機械化施工，施工步驟如下：

（1）在綜采工作面前方50 m的范圍以外，根據預先設計好的預裂鉆孔，提前施工；

（2）根據綜采工作面的開采方式與方向，在綜采工作面前方30～50 m之間依次進行預裂爆破，使得在工作面前方形成切頂缷壓預裂切縫線；

（3）超前工作面0～30 m，按設計位置布置巷內臨時加強支護；

（4）當綜采工作面完全開采完畢后，對采空區內矸石沿著切縫線使用檔矸支架進行處理，待檢修班澆筑柔模混凝土墻體隔絕采空區，這樣有效保證巷道支護效果佳。

4 沿空留巷經濟效益分析

1）節省區段煤柱效益：18504工作面回采推進長度1848 m，煤層平均厚度5.53 m，頂煤回收率按85%計算，密度1.4 t/m3，煤柱25 m，采用沿空留巷以后，共計多回收煤炭資源249 kt，噸煤利稅按照200元計算，回收煤柱創造經濟效益4981萬元。

2）少掘巷效益：18504工作面可以少掘進少掘巷道1985 m （軌道順槽繞道37 m），巷掘進綜合費用8000元/m，掘巷總費用為1588萬元，即少掘巷就可創造經濟效益1588萬元。

3） 沿空留巷工程費用： 沿空留巷長度為1860 m，留巷工程費用為5446.52元/m，則該工作面所需的沿空留巷費用為1013萬元。

沿空留巷前期一次性投資為557萬元。綜上所述，18504工作面沿空留巷初步預計可產生經濟效益6038萬元。

5 結語

1）采用沿空留巷技術以后，首先取消或回收了相鄰工作面間的護巷煤柱，實現無煤柱開采；沿空保留回撤通道，作為回收盤區大巷煤柱的回采巷道，最終實現盤區內無煤柱開采；最大限度地開發和利用了有限的資源，有助于社會的可持續發展。

2）工作面切頂卸壓柔模混凝土沿空留巷技術實現了機械化施工，降低了工人勞動強度，提高了施工效率，有利于礦井高效生產。