塔山2#層工作面無煤柱開采技術應用

尉永邦

（大同煤礦集團雁崖煤業有限公司 山西大同037003）

0 引言

我國煤礦大多數采用留設煤柱的方式維護采區巷道，煤炭回收率低、采掘比高、大量的煤炭資源浪費，煤柱損失量一般能占到全礦煤炭損總量的40%左右。此外，護巷煤柱在工作面回采后會形成較高的應力集中，極易引發沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災害，有時甚至還會誘發采空區煤炭自燃發火等現象。

因此，采用并推廣沿空留巷無煤柱開采技術將是煤炭資源可持續發展的重要方向，在提高煤炭回收率的同時，也是解決煤礦重大災害事故的有效手段[1]。在塔山2#層8305、8306無煤柱工作面采掘過程中，針對煤礦井下復雜的地質力學條件，利用聚能管爆破切頂，在回采巷道沿將要成為空采區側進行切頂，待工作面回采后再礦山壓力作用下，頂板沿預裂切縫的方向自動切落，即隔離了采空區又保持該巷道的完整性，作為下一工作面的運輸通道，實現切頂卸壓護巷的目的。

1 工程條件

8305工作面位于三盤區東翼東北部。東北鄰近盤區邊界，東南鄰近8306工作面，西南以三盤區大巷為界。蓋山厚度在462 m～518 m，平均490 m。煤層結構簡單。2#層利用厚度為1.60 m～4.18 m，平均3.02 m。煤層中含1～3層夾矸，平均2層，夾矸厚度在0.10 m～1.18 m之間變化，平均厚度為0.28 m，巖性為：煌斑巖、炭質泥巖、高嶺巖。老頂主要成分以石英為主，長石次之，硅質膠結，巖性完整，致密、堅硬、厚層狀。直接頂近均一結構，含植物化石，裂隙發育，呈不規則狀，有方解石充填。直接底灰褐色高嶺巖、灰黃色煌斑巖，致密、塊狀、堅硬、弱玻璃光澤。

2 聚能管爆破切頂留巷

工作面采用以“切頂卸壓+?21.8 mm普通錨索”為主體的設計，通過預裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，減弱巷道頂板壓力，且預裂爆破能夠很好地保護巷道頂板完整性。利用恒阻大變形錨索進行補強加固，控制頂板下沉，使所留巷道圍巖能夠最大限度地發揮自身承載作用，減少巷道變形，保證留巷效果[2]。工作面推進過程中，所留巷道會受到動壓影響，需要對所架后臨時支護區采取單體液壓支柱臨時支護措施。

2.1 頂板預裂切縫分區

（1）預裂切縫設計

采用雙向聚能爆破預裂技術，將特定規格的炸藥裝在兩個設定方向有聚能效應的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設定方向上均勻受壓，而在設定向上集中受拉，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巖石按設定方向拉裂成型，從而實現被爆破體按設定方向張拉斷裂成型[3]。

該爆破技術是在對比研究多種聚能爆破和定向爆破方法的基礎上發展起來的一種新型聚能爆破技術，施工工藝簡單，應用時只需要在預裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向對應于巖體預裂方向。爆轟產物將在兩個設定方向上形成聚能流，并產生集中張拉應力，使預裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預裂面。由于鉆孔間的巖石是斷裂的，爆破炸藥單耗將大大下降，同時由于聚能裝置對圍巖的保護，鉆孔周邊巖體所受損傷也大大降低，可以達到實現預裂的同時又可以保護巷道頂板。

預裂切縫深度（H縫）臨界設計公式如下：

式中：ΔH1：頂板下沉量，m；

ΔH2：底臌量，m；

K：碎脹系數，1.3～1.5。

根據頂板鉆孔可知，巷道直接頂為泥巖，碎脹系數為1.32，老頂為細砂巖，碎脹系數為1.47，本設計中K取二者平均值為1.41。根據礦井資料顯示，煤厚變化不大，在不考慮底臌及頂板下沉的情況下，取工作面采高為3.4 m，初步設計切縫深度為7.5 m。

此外，為減小切落頂板垮落時對留巷頂板的摩擦力作用，且使得切縫頂板更容易垮落，設計切縫孔應與鉛垂線成一定夾角。以7.5 m垂直切縫深度為基礎，根據不同區域頂板巖性及巷道支護形式為基礎，進行預裂切縫分區。

2.2 切頂預裂爆破

切頂預裂爆破在相應的切縫分區內進行相應的試驗段，首先進行單孔試驗，確定合理的裝藥確定合理的裝藥量和封泥長度，再進行間隔爆破，觀察兩相鄰裝藥孔間空孔內裂紋情況，如兩相鄰裝藥孔間空孔裂紋未達到裂縫率要求標準，再進行一次連續爆破試驗，最終確定一次爆破孔數以及爆破方式等。炮孔參數實驗方案見圖1。

圖1炮孔參數試驗方案

雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內徑為36.5 mm，管長1 500 mm。聚能爆破采用三級煤礦乳化炸藥，采用炸藥規格為直徑?32×200 mm/卷，電雷管采用同一段煤礦許用毫秒延期電雷管，爆破孔口采用炮泥封孔。爆破實驗方案如表1所示。具體裝藥參數需通過現場試驗確定，切頂爆破試驗報告中附入分區切頂爆破參數最終方案并進行審批，爆破實驗方案如表1所示。

表1爆破試驗方案（11m孔深）

2.3 巷道頂板支護

前期采用恒阻錨索支護，設計如下。

（1）恒阻錨索長度設計

為了保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩定性，在對巷道頂板進行預裂切頂前采用恒阻大變形錨索補強加固[4]。其中，恒阻錨索長度計算可根據經驗公式計算：

式中：L恒：恒阻錨索長度，m；

H縫：切縫深度，m。

即恒阻錨索長度通常比切縫高度長1.5 m～2.5 m，本節中計算基本切縫深度為7.5 m，故本設計中恒阻錨索長度取9.0 m。

（2）恒阻錨索間排距設計

基于切頂短壁梁理論和力學模型，可對切縫面最大剪應力進行計算，即錨索極限承載力Pn：

式中P0為恒阻大變形錨索恒阻值，取切縫側恒阻錨索間距為1.5 m時，該頂板截面模量W、頂板巖塊轉動慣量J代入計算后，恒阻錨索承載力符合Pn需求。

經現場實際監測，恒阻錨索變形量較小，錨固力大于錨索延伸所受力，利用錨索受力可延伸4%特性，除錨固段外錨索可延伸280 mm，故采用21.8 mm普通錨索代替恒阻錨索，既降低支護成本，又降低人工成本。

2.4 巷道臨時支護設計

工作面推進過程中，不同位置巷道受采動影響不同。工作面超前段會受到超前壓力的影響。工作面開采后，頂板開采垮落，且從垮落到穩定需要一定的時間，因此距工作面較近的架后區域不僅需要進行頂板支護，還需進行擋矸支護。隨著工作面繼續推進，當巷道距工作面較遠時，頂板運動基本會趨于穩定，此時可將架后臨時支護的設備撤掉，只進行擋矸支護即可。根據以往現場監測數據，將工作面附近劃分為三個區：超前支護區（工作面前方40 m），架后臨時支護區（架后0 m～200 m）和成巷穩定區（架后200 m之后），不同分區根據需要采取不同的支護措施。成巷穩定區判定根據礦壓監測設備數據中單體液壓支柱活柱縮量、工作阻力及恒阻錨索下縮量為主要指標，以巷道變形情況、錨索受力及采空區壓實情況等為輔助指標，且上述指標均穩定至少2個周期來壓步距方可判定為成巷穩定區，最終根據現場實際礦壓監測情況確定成巷穩定區位置。

2.5 擋矸支護設計

（1）架后臨時支護區擋矸支護設計

架后臨時支護區擋矸支護設計采用“單體液壓支柱+U29型鋼+鋼筋網”的聯合支護形式。在液壓支架切頂線后0 m～200 m范圍內，采用單體液壓支柱+U29型鋼進行擋矸支護，其中擋矸側單體支柱排距、U29型鋼的間距均為500 mm，單體支柱排距與U29型鋼的間距250 mm。

（2）成巷穩定區擋矸支護設計

此段巷道受采動影響很小，頂板下沉量及單體支柱的壓力變化很小，可認為該區域已趨于穩定狀態，可將臨時支護單體液壓支柱撤掉，只保留U29型鋼進行擋矸支護。

3 結論

切頂卸壓自動成巷，阻斷頂板應力傳遞，有效減小礦山壓力顯現，避免留巷巷道受采空區頂板應力傳遞造成巷道變形較大問題，工作面周期來壓強度明顯減弱。減少巷道掘進進尺，緩解了采掘銜接緊張局面，降低了采掘比。減少煤柱損失，提高回收率，延長礦井服務年限。在運用無煤柱開采技術的過程中，聚能管技術是其核心，并且與切頂卸壓無煤柱技術相結合來完成無煤柱開采，同時也可以極大減少成本投入，提高企業的經濟效益。