預裂爆破切頂卸壓沿空留巷關鍵參數研究

劉文偉

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 030600）

1 工程概述

18506工作面走向長1302m，傾斜長251m。工作面所采煤層為石炭系太原組8號煤層，平均厚度約為4.43m，煤層傾角平均約為4°。直接頂是深灰色泥灰巖，厚度約為2.32m。老頂是灰色粉砂巖，層厚約為2.33m。直接底是灰黑色粉砂質泥巖，厚度約為4.87m。由于工作面回采后會遺留煤柱，造成資源浪費。為了減少煤炭資源浪費的現象，決定在18506運輸巷進行切頂卸壓沿空留巷。巷道布置如圖1所示。

圖1 工作面巷道布置

2 切項卸壓沿空留巷原理

2.1 切項卸壓沿空留巷可行性分析

由于18506工作面煤層埋深較大，且頂板為泥砂巖，底板為粉砂質泥巖。采用傳統的砌筑矸石帶和支設密集支柱會引起巷幫支承壓力過大，從而導致巷道變形嚴重。如果選用充填材料留設巷道，費用較大，影響經濟效益。綜上所述，決定在運輸巷采用切頂卸壓沿空留巷的布置方式。

2.2 切頂卸壓沿空留巷技術原理

切頂卸壓沿空留巷技術的作用原理就是，使采空區頂板沿著定向爆破的切縫線自然垮落下來，掉落的巖體形成新的巷幫。沿空留巷可以減少煤礦生產的掘進量，降低生產成本。

切頂的高度、切頂的角度以及爆破的鉆孔間距是決定留設巷道好壞的決定性因素。想要完整的切下直接頂，就要確定好預裂切頂的高度。切頂的角度會影響剪切面之間的摩擦力，進而決定頂板是否徹底垮落。此外還需優化爆破鉆孔的間距，避免爆破過程中破壞想要保留的完整巖石塊。

2.2.1 切頂高度分析

預裂切縫深度設計公式如下：

式中 ΔH1：頂板下沉量，m；ΔH2：底鼓量，m；K：碎脹系數，這里取1.4；

由于工作面煤層頂板為較為堅硬的泥砂巖，在切頂后能夠保持良好的完整性。在這種情況下，上方的壓力能夠更好的傳遞到頂板，從而使巷道的頂板承擔更少的壓力，提高巷道的穩定性。綜合上述種種原因的考慮，最終決定模擬7m、9m和12m的切頂高度，以此來確定最后合適切頂高度。

2.2.2 切頂角度分析

根據巖石的碎脹性可知，如果直接沿著巷壁垂直向上切頂，破碎的頂板巖石會擠壓巷道頂板，致使采空區頂部不能垮落，巷道頂板會承擔一部分壓力。這樣留下的巷道會發生大范圍變形，影響自身穩定性。為了較少采空區頂板及巷道頂板間的摩擦力，需要斜著向上切落頂板，具體的斜切角度可以參照以下公式：

式中：L為直接頂懸臂梁長度，取18～25m;LR為巷道寬度,取5m;hg采空區高度(取3.5m)

根據工作面的具體參數，代入上述公式，得出切頂的角度在10°～15°之間。

2.2.3 預裂爆破間距分析確定

切頂高度和切頂角度的分析已經在上文詳細討論。結合上述的分析，現決定采用聚能爆破管及乳化炸藥進行定向爆破。聚能爆破管的規格為φ48mm×1500mm。聚能爆破管內放置規格為φ32mm×200mm的三級乳化炸藥。爆破孔間距設置為600mm。聚能管安裝于爆破孔內，每孔放置5根聚能管，封孔長度為2.25m。沿工作面回采方向，放置爆破聚能管進行切縫。布置方式如圖2所示。

圖2 爆破孔布置圖

3 切頂卸壓關鍵參數分析

經過上述對切頂高度、切頂角度以及爆破孔間距的詳細討論，需要最終確定最佳的切頂施工參數。因此，決定采用數值模擬軟件，模擬分析實施各個切頂高度以及切頂角度后，留巷效果的質量，選擇最合適的參數。物理模型的高度為46.2m，模寬度為210m，模型長度為580m。并且在巷道上方施加近似巖層自重的176.4MPa載荷。固定模型后，進行數值模擬。

1）切頂高度分析確定

模型建立后，賦予相應的力學參數。應力平衡后，分別對7m的切頂高度，9m的切頂高度，以及12m的切頂高度進行數值模擬。模擬結果如圖3。

圖3 不同切頂高度垂直應力分布云圖

根據圖3的模擬結果可以看出，當切頂的高度設置為7m時，直接頂并沒有被貫穿，這種情況下巷道頂板依然會受力，不利于巷道穩定。9m的切頂長度完全貫穿了頂板，上覆巖層作用在采空區頂板上，這種情況下采空區頂板與巷道頂板間的擠壓力小。同時，巷道的變形量也小有利于保持長期的穩定性。12m的切頂高度雖然同樣貫穿了頂板，但是直接頂垮落的高度較大，巷道幫部可能會受到直接頂回轉擠壓，留巷的質量不能得到保證。結合上述分析，9m的切頂高度留巷效果最好。

2）切縫角度分析確定。

通過上述的計算分析及討論，最終決定分別采用10°的切頂角度和15°的切頂角度模擬頂板的垮落情況。得到如圖4的模擬結果。

圖4 不同切縫角度垂直應力圖

根據圖4的切頂角度模擬結果圖可以看出，當把切頂角度設置為10°時，采空區頂板和巷道頂板之間的擠壓力不強，但是巷道側幫附近出現了應力集中現象。這樣的情況非常不利于巷道的后期維護。當把切頂的角度設置為15°時，采空區頂板及巷道頂板間的摩擦力較小，并且巷道頂板的變形量不大。與此同時采空區頂板的變形較大，這樣巷道側幫就不會受到回轉擠壓力，后期的巷道穩定性能夠得到保障。因此選取15°的切頂角度，留巷質量更好。

4 方案設計及切頂效果分析

4.1 支護設改進

在進行切頂卸壓沿空留巷方案前，還需要考慮原有的巷道支護方案是否能夠繼續維持巷道周圍圍巖的穩定性，為了更好的保證切頂卸壓后，巷道維持較好的穩定性，在原有的巷道支護方案的基礎上，增加恒阻大變形錨索來進行加強支護。結合工程實際情況，提出如圖5的支護設計方案。

圖5 巷道支護斷面參數

18506運輸巷斷面尺寸為4.5×2.8m，巷道采用錨桿+金屬網+錨索聯合支護方式。原本的支護方案是在頂板布置錨桿。錨桿的規格為Φ22×2400mm。錨桿的材質是左旋螺紋鋼。錨桿間排距860×1000mm。頂板的錨索規格為 Φ21.6mm×7300mm。錨索為鋼絞線錨索。錨索托盤的規格為285×285×16mm。在巷道的兩幫布置錨桿，間排距為800×1000mm。錨桿的規格為Φ20×2200mm。材質與頂板錨桿相同。在原有的支護基礎上，在頂板布置恒阻大變形錨索。錨索的規格為Φ21.8×8300mm。錨索的恒阻器長度為300mm，外徑72mm，恒阻值為33±2t，預緊力不小于28t。將恒阻大變形錨索隔空布置在原有錨索中間的位置，并且將恒阻大變形錨索的間排距設置為2000mm。

4.2 沿空留巷效果分析

為了進一步驗證沿空留巷的效果，將施工后的運輸巷掘進面后50m作為試驗段，對試驗段每隔10m處斷面安裝多點位移計，進行為期15天的跟蹤監測，試驗段所得監測數據整理如圖6所示。

圖6 掘進過程中巷道斷面圍巖變化

由圖6可知，巷道頂板下沉量隨時間增長逐漸增大，最后穩定在400mm，兩幫移近量隨時間增長逐漸增大，最后穩定在120 mm。跟蹤監測巷道一段時間后，發現巷道頂板穩定，兩幫也沒有發生大變形。說明在15天內巷道頂板及兩幫一直處于不斷變形的階段，最終趨于穩定。沿空留巷后，巷道兩幫及頂底板的變形均控制在允許范圍內，能夠滿足巷道通風及行人的要求。因此沿空留巷效果良好，在掘進過程中巷道能正常安全的使用。

5 結 語

礦區以往會留設大量煤柱，造成資源浪費。為此，在18506工作面進行切頂卸壓沿空留巷。為了保證留巷效果的質量，在切頂前對巷道進行了加強支護。運用數值模擬軟件，確定了最佳的切頂高度和切頂角度。切頂卸壓沿空留巷后，進行了后續的監測，發現巷道頂底板及兩幫的變形量均保持在允許范圍內，說明留巷效果良好。同時也為類似條件的煤礦實施沿空留巷提供了指導。