沖擊危險區迎采沿空巷道切頂護巷防沖技術

張 雷

（1.徐州礦務集團有限公司，江蘇 徐州221000；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州221000）

眾所周知，沿空掘巷能夠大大增加煤礦的開采率，而且巷道的應力分布以及維護條件等方面都比在巷道中設置寬煤柱要好很多，因此這種方法在我國煤炭開采方面大范圍運用。為了避免相鄰工作面的采掘活動給沿空掘巷帶來的擾動影響，一般情況下在相鄰工作面的巖層區域穩定后，再進行沿空掘巷作業。有時由于單翼采區設計與采掘交替緊張的影響，相鄰工作面回采完成后就直接開始下個工作面的掘進，因此必須對它的掘進干擾進行控制，通常采取的方式就是設計一定寬度的區段礦柱來提供支撐，但是這樣將限制了煤礦的采出率，同時也給維護增加了難度，想要增加采出率的同時還能降低維護難度，可以將窄煤柱掘進巷道設計在鄰近工作面的一邊，這種方法也叫做迎采動面沿空掘巷。這種沿空掘巷和原來的沿空掘巷具有很大區別，包括它受到了相鄰工作面整個施工階段帶來的動壓作用，巷道形變強烈，不易維護[1-2]。這種沿空掘巷主要受到了上個區間工作面回采產生的大量動壓作用，并在不穩定的空區邊部進行巷道的掘進，巷道同時會遇到頂板巖石大結構關鍵塊開裂、回轉、下沉等，給巷道維護帶來了很大困難。目前由于礦山開采需求的不斷增加，采掘矛盾日益凸顯，這種單翼開采的礦井顯得極為突出[3-4]。

我國很多學者對迎采動沿空掘巷進行了一些研究，并取得了豐碩的成果，趙瑤等[5]以陳四樓礦為研究背景，探索了在小煤柱異常破碎、礦壓顯現問題嚴重等難題，通過優化支護參數，迎采動沿空掘巷取得了良好的支護效果；于洋等[6]為了解決神華單翼開采礦井接續問題，利用數值模擬和現場實測的方法對迎采動沿空掘巷的圍巖特征的時空效應進行研究，建立“高阻支護、分段控制、動態監測、頂板穩控、固結煤幫”的控制原則以及“分段錨網索梁結合加強支護”的動態控制方式，可以對巷道兩邊形變以及迎采動沿空掘巷形變進行很好的控制；王猛等[7]通過理論計算、數值模擬和現場實測等綜合性手段對迎采動沿空掘巷巖層穩定性控制采取詳細研究，同時給出有效的留柱尺寸，并將其設計在應力降低部位，同時提出利用高強度大延伸率錨桿支護，控制巷道圍巖變形，提高小煤柱關鍵部位的承載能力，最大限度的控制迎采動沿空掘巷的變形。以上研究都是基于迎采動沿空掘巷方面進行的，而對沖擊礦壓和迎采動共同作用下維護沿空巷道的研究基本未涉及，為此，針對張雙樓煤礦的實際情況，對在沖擊礦壓和迎采動共同作用下沿空掘巷的巷道防沖控制技術進行研究。

1 工作面概況及面臨難題

1.1 工作面概況

張雙樓煤礦位于江蘇省徐州市西北沛縣安國鎮境內，礦井于1986 年12 月建成投產。主、副井井口標高+38.5 m。92606 工作面的標高為-750 m，屬于西三采區工作面，西部與陷落柱3#保護煤柱相鄰，東部從-750 開始，沿西三9#煤運輸上山，北側屬于未開采區，南側與92604 工作面采空區相鄰。工作面煤層厚度1.1～4.2 m，平均厚度約2.7 m，煤層結構簡單，為較穩定的中厚煤層。工作面西部發育1 處煤層變薄區，煤厚1.6～2.0 m。工作面西部發育偽頂泥巖，走向NW，帶寬平均約102 m，平均厚度2.5 m。工作面走向長920 m，傾向長172.7 m，可采儲量95萬t，工作面標高-621.4 m 至-723.0 m，工作面直接頂板為中細砂巖，厚度約31.35 m，巖性特征灰色、白色，由長石、石英組成，暗色礦物含量較大，呈泥質膠接結構，水平層理構造。部分區域出現泥巖頂板，厚度不超過5 m。92606 工作面和92608 工作面布置關系簡圖如圖1。

圖1 92606 和92608 工作面布置關系簡圖Fig.1 Layout of 92606 and 92608 working faces

92606 工作面與92608 工作面均處在-750 m 水平西三采區，煤層厚1.1～4.2 m，平均厚度在2.70 m左右，礦層結構不復雜，屬穩定的中厚層煤礦。92608工作面的材料巷掘進與92606 工作面的回采相向而行，當兩面相距距離小于《煤礦安全規程》規定的距離時，停掘92608 工作面材料巷，只進行92606 工作面的回采工作。由于92606 工作面和92608 工作面的頂板巖性為砂巖，硬度較大，回采之后能夠起到穩定支撐作用。

1.2 工作面面臨難題

針對92606 工作面的回采以及92608 工作面沿空巷道掘進來說，主要面臨以下難題：

1）9#煤上方賦存厚層砂巖頂板，來壓步距大，在92606 工作面隅角形成懸頂，對本工作面造成安全隱患，加大沖擊危險性。

2）92606 工作面頂板應力變化強烈，采動動壓較高，能夠在一定程度上影響92608 工作面材料巷的穩定，后期92608 工作面材料巷復掘帶來困難與安全隱患。

3）92606 與92608 2 個工作面的頂板巖性均為砂巖，其硬度較大，92606 工作面在回采過程中，其支承壓力容易引起92608 工作面材料道出現劇烈形變。想要降低92606 工作面回采產生的擾動作用，應當在92606 運輸巷位置開展實施切頂爆破技術的研究與應用。

2 爆破切頂護巷技術

2.1 技術機理

因為地質環境的復雜多變，包括頂板地層的裂隙、節理、裂隙等構造影響，空區處理手段、開采技術條件以及巷道支護現狀等因素影響，容易造成空區基本頂板層位出現斷裂，其出現斷裂的區域一般出現在以下3 個區域：煤壁上方、煤壁內部、煤壁外懸露某長度。上述3 種斷裂時的頂板破斷線位置及應力分布如圖2，如果采空區中，基本頂的懸頂長度增加，將會在礦體中產生較大的應力集中，同時擴大了巷道側幫的塑性范圍與破壞區域。

圖2 頂板破斷線位置及應力分布Fig. 2 Broken line position and stress distribution of roof

由圖2 可知，斷裂出現在煤壁內側時最好，然而92608 工作面的材料巷的掘進工作早已結束，斷裂發生在煤壁內側時，巖石斷裂質量直接作用于礦體上，往往會造成煤柱發生失穩垮塌，嚴重威脅著92608 材料巷與92606 運輸巷，因此在此采用煤壁上方斷裂，也就是92606 運輸巷的下部區域。

2.2 爆破孔深度理論計算

巷道的上部巖層將應力傳遞到巷道上部直接頂山，從而對巷道產生影響，如果上部煤層被開采出去，上部巖層的垮落性質、垮落后的賦存方式直接受到基本頂巖體的斷裂性質、坍塌之后的賦存方式影響[8-11]。沿空掘巷與上覆巖體結構的關系示意圖如圖3，沿空巷道處在塊體A 下部。

圖3 沿空掘巷與上覆巖體結構的關系示意圖Fig. 3 Diagram of relationship between gob side entry and overlying rock mass structure

根據圖3 可知，塊體A 是這個工作面上部的基本頂，塊體B1、B2均屬于這個工作面采空側的弧形三角塊，塊體C 屬于該工作面空區斷裂的巖體。

如果采空區沒有被垮落帶完全填充，沿空巷道的荷載基本上都是A、B1塊體與B2構成的鉸接弧形三角塊與上部巖體施加。如果垮落帶的高度不大，塊體B1、A 于B 點，塊體B1、B2于A 點構成了膠接結構，B2塊利用A 鉸接點把應力傳到B1塊上，塊體B1利用B 鉸接點把應力傳到A 塊上。這個階段沿空巷道將承擔來自塊體A、B1、B2與上部巖體的總質量，所承受的應力很大，因此往往會發生形變。

如果采空區被垮落帶完全調控，巖塊B2將應力傳遞給采空區巖石，這個階段沿空巷道只承擔塊體A、B1與上部巖體的荷載，因此該巷道的應力最低，形成的形變也最小。

所以頂板爆破孔的深度造成垮塌的巖體可以完全充滿采空區，因此確保沿空巷道具有較小的壓力。將垮落帶巖體的平均碎脹系數控制在1.3～1.4，那么爆破孔深度為[12-14]：

式中：h 為爆破孔深度，m；K 為巖體碎脹系數，取1.3～1.4；m 為煤層厚度，m。

92606 工作面煤層厚度為1.1～4.2 m，因此爆破孔深取3.3～12.6 m。

2.3 爆破間距理論計算

按照有關資料，可通過以下公式來求解爆破孔破碎圈半徑RP[15-16]：

式中：ρ0為炸藥密度，t/m3；rc為炸藥半徑，mm；Rp為裂隙圈半徑，m；b 為切向應力、徑向應力比例系數；n 為爆轟氣體碰撞孔壁時壓力放大系數，根據K K 安德列夫和A 別遼耶夫的研究，n=8～11；rb為炮眼半徑，mm；u 為泊松比；a 為應力衰減系數；De為炸藥爆速，km/s；ST為煤巖抗拉強度，MPa；p 為徑向應力峰值，MPa。

92606 工作面中，選擇二級乳膠炸藥實現頂板爆破，根據相關的要求，爆破速度3.2 km/s，炸藥直徑27 mm，密度1.164 t/m3，炮孔半徑21 mm，另外巖石泊松比取值0.35，而對應的抗拉強度在5 MPa 左右，其結果顯示，裂隙圈直徑達到了1 m，由此推導得到相鄰炮孔間距不大于1 m，效果較好。

2.4 技術參數設計與對比

為了進行效果對比分析，設計了4 種爆破技術方案，便于對比分析。

1）方案1。92608 運輸巷切頂爆破從回采進尺點400 m 開始向外施工，鉆孔半徑21 mm，深為18 m，該孔和水平方向間的角為60°，和巷道中線間形成的角在5°～10°范圍中，偏向工作面老采空區方向，鉆孔間距5 m，開鉆之處所對應的運輸巷頂板下肩窩首個錨桿向上幫0.2 m 的位置為第1 個鉆孔。該方案主要考慮防沖。切頂方案1 鉆孔布置如圖4。

2）方案2。鉆孔直徑42 mm，其孔深0.8 m，鉆孔、巷道下幫間的角在3°～7°范圍內，相鄰孔間隔1 m，如果和原施工孔定位一致，就不重新鉆孔，或是施工點位于錨桿點甚至對施工產生影響，則鉆孔位置可進行相應的調整，而間隔調整量在±0.5 m 之間。開鉆之處所對應的運輸巷頂板下肩窩首個錨桿向上幫0.2 m 的位置為第1 個鉆孔。

3）方案3。孔深8 m，間距0.5 m，爆破豎直向上施工。

4）方案4。孔深6 m，間距0.5 m，爆破豎直向上施工。

切頂方案2、方案3、方案4 示意圖如圖5。

圖5 切頂方案2、方案3、方案4 示意圖Fig. 5 Schematic diagram of cutting scheme 2, 3 and 4

3 現場實踐與效果分析

3.1 方案布置

不同位置爆破孔施工參數示意圖如圖6。根據圖6，在92606 工作面處于92608 材料巷掘進頭時，同時其運輸巷所處點于下幫方向進行切頂卸壓，截止3 月5 日時，該工作面距離材料道掘停面之間達到350 m 以上，該情況下92608 工作面材料道將再次被投入使用。而切頂爆破這一相關操作里，該工作面中，對運輸巷頂板進行了爆破方案的試驗，4 種方案中孔深和孔間距參數表見表1。

圖6 不同位置爆破孔施工參數示意圖Fig.6 Schematic diagram of blasting hole construction parameters at different positions

表1 4 種方案中孔深和孔間距參數表Table 1 Parameters of hole depth and hole spacing infour schemes

在材料巷再次使用前，首先應該對測點進行設定，4 種不同爆破方案，對其頂底板高、巷道寬度富余量進行監測得到的巷道寬度及高度分別為：①3 735 mm，2 006 mm；②4 060 mm，2 000 mm；③4 427 mm，2 139 mm；④4 491 mm，2 225 mm。

對比第3 和第4 爆破方案，92608 工作面中的材料巷對應的高度、寬都有富裕的剩余量，有較理想的效果：在第1 個方案中，兩幫、頂底板高度都不夠大，巷道的形變非常明顯，所以所得結果來看，孔深6 m 和8 m，孔間距0.5 m 時與實際更相符，如此其求解的結果和上文相同，也反映出構建的切頂巷參數優化技術效果理想，而且合理性良好。

3.2 施工工藝

鉆機為錨桿鉆機，裝藥量2 kg，封孔深度為3 m，爆破方式為雷管引爆封孔優化技術，使得爆破更為安全可靠，而且其效果更理想，能夠在很大程度上降低了爆破給92606 工作面中運輸巷頂板所帶來的破壞力。

3.3 實施效果

3.3.1 巷道變形規律

在92606 工作面運輸巷共采用了4 種切頂爆破方案，分別為：①孔間距5 m，孔深18 m；②孔間距1 m，孔深8 m；③孔間距0.5 m，孔深8 m；④孔間距0.5 m，孔深6 m。爆破完成后，92606 工作面進行回采，回采后92608 材料巷剩余巷道寬度如圖7，92608 材料巷剩余巷道高度如圖8。

圖7 92608 材料巷剩余巷道寬度Fig.7 Remaining roadway width of 92608 material roadway

圖8 92608 材料巷剩余巷道高度Fig.8 Remaining roadway height of 92608 material roadway

從所得結果來看，孔深6 m 和8 m，孔間距0.5 m 時實際更相符。以實際情況來看，孔深6 m，由于靠近頂板，因此工作面中，其運輸巷頂板受到了較大破壞，所以孔深8 m，孔間距0.5 m 的爆破更為理想。

3.3.2 效果總結

1）在實施第1 種方案時，工作面下隅角出現懸頂，長度達到約20 m；根據巷道變形觀測，在相對應的92608 材料巷兩幫最大位移量為1.8 m，其中低幫位移量為240 mm，其它為高幫位移量；頂底板移近量為1.02 m。

2）在實施第2 種方案時，工作面下隅角出現懸頂，長度達到約10 m；根據巷道變形觀測，在相對應的92608 材料巷兩幫最大位移量為0.55 m，其中低幫位移量為240 mm，其它為高幫位移量；頂底板移近量為0.84 m。

3）選擇第3、第4 方案時，工作面下隅角出現基本無懸頂，頂板跟隨支架垮落。

4）通過實施頂板切頂，有效控制了本工作面隅角懸頂與沿空巷道的采動變形。

5）從所得結果來看，孔深度為6 m 和8 m，孔間隔0.5 m 的安排和實際更相符。當92606 局部工作面相對完整無構造的情況下，爆破方案以孔深6 m，孔間距0.5 m 時，更符合實際。當92606 局部頂板破碎時，可選用孔深8 m，間距為0.5 m 的爆破方案。

4 結 論

1）針對沖擊礦壓和迎采動共同作用下維護沿空巷道問題，采用切頂護巷防沖控制技術，有效控制窄煤柱巷道的變形。

2）基于理論分析和爆破切頂護巷技術，針對92606 工作面實際情況確定了頂板爆破孔深度為3.3～12.6 m，2 個炮孔間距不大于1 m，切頂效果較好。

3）根據92606 工作面的實際情況，提出了4 種切頂護巷防沖控制技術方案，通過方案比較，得出當孔深8 m 和6 m，間距0.5 m，爆破豎直向上施工時，工作面下隅角出現基本無懸頂，頂板跟隨支架垮落。同時，當92606 工作面局部相對完整無構造的情況下，爆破方案以孔深6 m，孔間隔0.5 m 和實際需求更為相符。當92606 局部頂板破碎時，可選用孔深8 m，間距0.5 m 的爆破方案。