切頂卸壓沿空留巷關鍵切頂參數的研究

郜昱

摘 要：為解決切頂卸壓沿空留巷道煤柱寬度造成的資源浪費問題，馬蘭礦以12503工作面為背景，采用小煤柱沿空留巷的開采方法來提升工作面回采效率，同時對沿空留巷煤柱合理寬度尺寸和巷道頂板卸壓的爆破技術參數進行設計研究，保證礦井的安全生產。

關鍵詞：切頂卸壓;沿空留巷道;煤柱;回采效率

隨著，采掘深度的不斷延伸針對堅硬頂板的條件下如何預裂留巷頂板，國內外諸多學者對切頂卸壓方案即針對不同條件下進行了深入研究，從爆破機理到爆破參數以及爆破后形成的效果，同時，還深入分析了在此類條件下的留巷效果。最后將切頂卸壓技術在工作面實際應用，結果表明采用此技術在卸壓方面有著非常突出的作用，馬蘭礦為提高沿空留巷道煤柱的資源回收問題，提出采用小煤柱沿空留巷的開采方法以提高工作面回采率提高回采效率。

1 礦井概況

馬蘭礦位于古交市區(qū)西南16km位置，設計年產400萬t，現主要開采2#、8#煤層，礦井的開拓方式為斜井、立井聯合開拓。12503工作面位于馬蘭礦五采區(qū)，主采煤層為2#煤層，開采煤層平均厚度3.02m，煤層結構復雜，結構為0，27（0.19）2.56，煤層平均傾角5°。馬蘭礦以12503工作面為背景，在該工作面采用小煤柱沿空留巷的開采方法提高資源回采效率。

2 數值模擬的建立

在煤礦井下開采過程中，合理煤柱寬度的留設是影響沿空巷道留巷成功的關鍵，合理的小煤柱尺寸不僅在維護礦井施工、保障生產安全中發(fā)揮著至關重要的作用，而且能夠有效地提高井下煤炭資源采出率。布置合理的區(qū)段煤柱寬度，不僅要考慮受采動影響下圍巖的應力分布規(guī)律，更要考慮其煤柱自身的完整性，確保其能夠為巷道服務。

煤體巷道屬于非均質，分層特征十分明顯，假設煤層界面是煤層相對頂底板巖體運動的滑移面，且在煤體應力極限平衡邊界有：煤體的垂直應力為側向動壓系數與上覆巖層壓力乘積，水平應力則可通過垂直應力與側壓系數相乘求得，通過極限平衡理論，可得巷道圍巖極限平衡區(qū)寬度計算式：

式中：X0-塑性區(qū)寬度，煤體應力極限平衡區(qū)寬度，m;M-煤層厚度，m;λ-側壓系數;K-掘巷引起的應力集中系數;γ-上覆巖層的平均容重，kg/m3;H-開采深度，m;Px-巷道支架作用于煤幫的支護強度，MPa;C0-煤巖體層里面的粘聚力，MPa;假設，破碎區(qū)內的煤體仍具有一定的殘余強度，煤體所受的垂直應力小于原巖應力，破碎煤體只受極限平衡區(qū)內的垂直應力σz1，則可求出破碎區(qū)寬度。

結合12503工作面具體地質條件及開采狀況，上述各式具體參數取值：煤層厚度M=2.5m，側壓系數λ=0.96，應力集中系數k=2.8，上覆巖層平均容重γ=2.5×103kg/m3，采深H=800m，粘聚力C0=3.64MPa，內摩擦角?0=31°，支架作用于煤幫的支護強度Px=0.3MPa。

經過公式計算可得，極限平衡區(qū)（塑性區(qū)）寬度x0=3.8m

破碎區(qū)寬度xs=1.1m，所以進行留小煤柱沿空留巷試驗段掘巷時，合理小煤柱尺寸應在4m≤x≤8m。通過綜合分析理論計算結果與模擬工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植家?guī)律，確定卸壓區(qū)的范圍為10m。為了保證將煤柱布置于低應力區(qū)內，以便減少煤柱變形，保證煤柱內部完整，有助于錨桿能夠有效發(fā)揮支護作用，從而維持巷道的整體穩(wěn)定性，初步設計高家堡煤礦沿空留巷試驗段煤柱留設尺寸小于10m。提出了三種不同煤柱尺寸的數值模擬計算方案：6m、8m、10m煤柱一次采動下圍巖位移變化進行對比分析。

隨著煤柱尺寸的增大，頂板下沉量始終控制在500mm范圍內，下沉量基本始終處于可控范圍內;底板的底鼓量始終保持在較小的范圍內;實體煤側的煤幫變形量同樣較小，變化較為平穩(wěn);煤柱幫側的巷道變形量在煤柱尺寸為5m時最大，達到550mm。煤柱幫側的變形量會隨著煤柱尺寸的增大而減小，最終趨向穩(wěn)定，表明5m煤柱時，煤柱破碎嚴重，幾乎不具有承載能力，變形嚴重，當煤柱尺寸為6～7m時，煤柱所具有的承載能力開始提高，具有一定抵抗變形的能力，表明該尺寸范圍內的煤柱穩(wěn)定性較好;所以將煤柱尺寸定位7m。

3 切頂卸壓爆破參數的設計

3.1 鉆孔直徑

由于工作面深度較大，對于超前斷頂預裂爆破，大孔爆破明顯小孔，因此采用直徑75mm的大孔徑爆破。12503工作面的不耦合系數取1.25。

3.2 鉆孔傾角

綜合分析12503工作面實際情況，最終確定超前深孔爆破斷頂預裂鉆孔施工角度為仰角65°。

3.3 鉆孔深度與間距

為了達到理想的缷壓效果，鉆孔的深度應盡量靠近支承壓力峰值區(qū)，以12503工作面煤體側向支承壓力實測及理論計算為依據，為了保證能夠達到預期的缷壓效果，孔深設計為40m。采用深孔爆破的方式對頂板進行斷頂預裂爆破時，在炸藥爆炸時四周均為巖石，無自由面，爆破時產生的應力波可以看做是在巖體四周均勻擴散的。爆炸后在巖體內會以鉆孔為中心依次產生R0鉆孔半徑、R1粉碎區(qū)、R2破裂區(qū)、R3震動區(qū)。鉆孔內炸藥起爆后，產生的應力波致使巖體粉碎破壞，從而形成的粉碎區(qū)，其粉碎區(qū)的半徑計算公式可用公式進行：

式中：R1-粉碎區(qū)半徑;ρm-巖石的初始密度，kg/m3;Cp-巖體縱波速度，m/s;RK-空腔半徑極限值，用公式進行計算;σc-巖石單軸抗壓強度，MPa。

式中：rb-鉆孔半徑，mm;P1-炸藥爆炸時產生的爆壓，MPa，可用公式計算;σ0-多向應力下的巖石強度，MPa，可用公式計算。

由于在炸藥爆炸后，產生的沖擊波對煤體的作用力時間非常短暫，并且其效應迅速衰減，粉碎區(qū)半徑相對較小，因此破裂區(qū)的半徑計算對于研究鉆孔布置參數至關重要。目前，對于破裂區(qū)的半徑的確定主要以應力波作用為主，因此通過應力波作用的計算公式對破裂區(qū)的半徑進行求解：

式中：R2-破裂區(qū)半徑，mm;b-徑向應力與切向應力的比值，可用公式計算;α-應力波衰減系數，可用公式計算;P2-不耦合裝藥系數下，沖擊波應力峰值;rb-鉆孔半徑，mm;ST-巖石單軸抗拉強度，MPa。

式中：P0-炸藥密度，kg/m3;D-爆炸速度，m/s;Rc-裝藥半徑，mm;n-應力增大倍數，一般取值8～11。將馬蘭的巖石力學資料代入上述式中，并且與炸藥裝藥量耦合計算，進行求解，可得出粉碎區(qū)半徑R1為0.7m，破裂區(qū)半徑R2為4.8m。通過理論分析與現場調查可知，在煤層條件一定時，鉆孔間距越小，越有利于裂隙擴展形成預裂面，其缷壓效果越好。確定鉆孔間距為2m。

3.4 爆破孔封孔長度

封孔的長度也是影響爆破效果關鍵性因素。封孔長度過短可能會導致爆炸效果減弱，通過計算確定其封孔長度為15m。綜合確定12503運輸巷深孔斷頂預裂爆破裝藥方式。其裝藥總長定為8.5m，裝藥量20kg，分為20塊，每10塊炸藥為一組，分別用長為42m和38m的導爆索連接，封孔長度為15m，導爆索底端用毫秒延遲電雷管引爆。

4 結論

馬蘭礦為提高資源的回采效率，在12503工作面采用小煤柱沿空留巷的開采方法，同時對留設煤柱的寬度進行計算。并通過數值模擬對留設不同尺寸煤柱條件下巷道在一次采動條件下巷道位移情況進行模擬分析，最終選定留設煤柱的合理寬度為7m，在確定小煤柱尺寸后又給出了頂板卸壓的具體爆破參數，有效提高回采效率。

參考文獻：

[1]李博.大同礦區(qū)堅硬頂板切頂卸壓沿空留巷開采技術研究與應用[J].煤炭科技，2019，40（02）：87-89.