億欣煤業綜采面爆破切頂留巷技術應用分析

安浩煒

（晉能控股集團晉城煤炭事業部億欣煤業，山西 沁水 048200）

沿空留巷開采技術，取消了區段保護煤柱，有利于緩解采掘緊張的局面，同時避免了煤柱應力集中引起的礦壓顯現問題，已經在我國煤礦得到了廣泛的應用。目前普遍采用的留巷方法是在采空區邊緣充填形成墻體，將巷道保留下來［1-3］。該方法能夠適應不同的頂板條件，但留巷成本高，經濟性差。為提高億欣煤業的經濟效益，以XV2303 工作面為實例，擬采用切頂無充填留巷技術。

1 工程概況

億欣煤業XV2303 工作面位于二盤區，所采煤層為15 號煤，工作面標高為+834～+924 m，地面標高為+1 195～+1 270 m。工作面范圍內煤層厚度為2.6～3.42 m，平均厚度3.08 m，煤層全區穩定可采，煤層傾角為3°～12°，平均5°。工作面頂底板巖性見圖1。

圖1 15 號煤頂底板巖性及強度

由圖1 可知，15 號煤的直接頂和基本頂的強度較高，為堅硬穩定頂板，適合沿空留巷。

XV2303 工作面采用綜合機械化走向長壁開采，一次采全高，工作面長度為200 m，推進長度1 100 m，運料巷斷面為5.2 m×3.0 m （寬×高），錨網索支護，擬將該巷道采用爆破切頂留巷的方式保留下來，作為下一個工作面的順槽使用。

2 切頂留巷技術

切頂留巷是近幾年發展的一種留巷方式，主要是利用爆破技術將采空區頂板切頂，隔絕與巷道頂板之間的聯系，垮落頂板碎脹后填滿采空區，同時輔以恒阻大變形錨索等高強支護措施，將巷道保留下來，作為下一個工作面使用，見圖2［4-6］。

圖2 切頂留巷

2.1 切頂

切頂卸壓成巷的技術關鍵在于阻斷采空區頂板壓力向巷道內的傳遞，一般采用爆破的方式，一方面促使巷道頂板與采空區頂板隔離開來，減少采空區頂板以給定變形的方式對巷道的影響；另一方面，通過切頂，促進采空區頂板的垮落，將采空區充滿。

2.2 高強支護

與沿空掘巷相比，切頂留巷需要經歷切頂爆破、初次回采、二次回采等多個階段的影響，巷道受影響時間長，維護難度大，需要根據巷道的情況采取不同的高強支護方式。

3 切頂技術參數

3.1 切頂高度

最佳的切頂高度應能保證爆破后的頂板巖層能夠充滿采空區，在理想狀態下按如下公式計算：

式中：Hq為切頂高度，m；M為煤層厚度，m；H1為采空區頂板下沉量，m；H2為采空區底臌量，m；K為頂板巖層的碎脹系數。

億欣礦15 煤的頂板主要為石灰巖，碎脹系數取1.5，頂板下沉和底臌量合計取0.5 m，計算可得切頂高度為5.16 m。

2.2 切頂角度

切頂角度大，會增加巷道承受的載荷，不利于巷道支護，切頂角度小，頂板垮落不充分。切頂后的上覆巖層力學模型可簡化，見圖3。

圖3 切頂后的巖塊力學模型

根據巖塊平衡力學條件，可得出：

式中：α 為切頂角度，°；R為巖塊B承受的載荷，kN；F為臨時支護對頂板的作用力，kN；T為巖塊所受的水平推力，kN；φ 為巖塊之間的摩擦角，°。

不同位置水平推力T有所不同，計算可得切頂角度的范圍為12°～17°。

2.3 爆破參數

提前30 m 利用液壓錨桿鉆車在距回采幫200 mm 的巷道頂板施工切縫鉆孔，在爆破孔內安裝聚能管，實施定向爆破。孔深6.0 m，間距為500 mm，向采空區方向傾斜15°。爆破作業滯后4 個鉆孔進行。在孔內安裝兩根聚能管，每根聚能管的長度為2 000 mm，封孔長度為2 000 mm，每根聚能管配一根雷管，每米裝藥量0.5 kg，每次裝孔3 個，瞬發一次起爆。

4 支護設計

留巷的成功與否除與初次回采期間的切頂、支護等有很大關系外，巷道掘進期間的支護質量也是一個重要的影響因素。

為提高巷道的穩定性，保證留巷的成功，在巷道掘進過程中，采用的錨桿為高強螺紋鋼錨桿，鋼筋型號為BHRB400，其剪切強度達到400 MPa，錨索的規格為Φ21.8 mm×7.3 mm，并不定期對錨桿索的預緊力等進行檢查，保證了支護質量。

回采期間對超前影響段、劇烈影響段和留巷穩定段應采取不同的支護措施。

4.1 超前支護

在巷內切頂前方50 m 提前施工三排恒阻錨索，錨索布置見圖4。錨索規格為Φ21.8 mm×12.3 mm。巷道采空幫的錨索沿巷道走向用W鋼帶連接到一起。

圖4 超前恒阻錨索布置

在工作面前方30 m 范圍內支設兩排單體柱，距兩幫的距離為1 000 mm，柱距為1 000 mm，具體位置可根據現場情況調整。間距、排距偏差不超過100 mm，要成排成行，直線誤差不超過30 mm，且采用防倒繩防倒，若底軟時必須穿鞋支護。

4.2 劇烈變形區支護

該區域的范圍主要是工作面后方100 m。該段的支護是整個留巷支護的關鍵，在防止頂板下沉的基礎上還要避免采空區矸石進入巷道內。

工作面回采過后，在原超前支護的基礎上，加打一道順巷單體液壓支柱配合金屬鉸接頂梁加強支護，一梁兩柱。柱距為1 000 mm。

在采空區側采用29U型鋼支架掛雙層金屬經緯網擋矸，間距為500 mm。為適應不同的巷道高度，型鋼高度為1 800 mm，使用時埋入底板以下不少于400 mm，兩根型鋼的搭接長度不得少于300 mm，采用兩副卡欄固定。U鋼與采空區之間鋪設雙層金屬網擋矸，金屬網與頂網連接到一起。網片與U型鋼之間裱褙棚木，每500 mm 一道，錯落布置。

4.3 穩定區支護

在距工作面100 m 以后，該區域頂板已趨于穩定狀態，可將臨時支護單體撤掉，只保留可伸縮U型鋼支架進行擋矸和對頂板支護。

5 應用分析

5.1 爆破孔窺視

爆破后，通過鉆孔自動成像儀對爆破孔內裂縫擴展情況進行觀測，觀測結果見圖5。

圖5 爆破孔窺視

由圖5 可以看出，爆破后，孔內沿巷道走向有兩條裂隙向上延伸，切頂效果良好。

5.2 位移觀測

工作面開始回采后在巷道內設置測點，對回采過程中留巷的巷道表面位移進行觀測。2 號測點位于開切眼前方50 m，從距離工作面30 m 開始出現位移，到工作面回采過后70 m 變形穩定，可作為留巷全過程的變形曲線，該測點的巷道表面位移觀測結果見圖6。

圖6 2 號測站巷道表面位移觀測結果

由圖6 可以看出，運料巷留巷的表面位移具有明顯的階段性特征。工作面推進至距2 號測點30 m 時，超前支承壓力影響開始顯現，巷道頂板開始下沉，工作面前方20 m，實體煤幫開始幫臌。到工作面位置，巷道變形持續增加，到工作面后方20 m 左右，實體煤幫的變形穩定，最終變形量為260 mm。頂底板變形在工作面后方70 m 穩定，最終變形值為565 mm；其中頂板穩定，下沉量為290 mm，底臌量相對較大，但不影響巷道的使用，局部底臌量大的區域通過臥底即可滿足二次生產的需要。

5.3 效益分析

經測算，采用切頂自成巷技術的成本主要包括人工成本、爆破、支護成本及后期的臥底等巷道維護成本，合計約為2 800 元/m。而新掘一條巷道的成本為3 400 元/m，另外沿空留巷技術取消了15 m 的保護煤柱，增加產值12 000 元/m。

以上合計產生效益1.26 萬元/m。留巷1 000 m，節省1 260 萬元，經濟效益顯著。

留巷的成功應用，有效緩解了億欣礦采掘接替緊張的局面，提高了煤炭資源的回收率，有利于延長礦井的服務年限，為礦井的安全、可持續發展奠定了基礎。

6 結論

1）切頂留巷的關鍵在于切頂，爆破切頂參數選取：切頂高度為6 m，角度為15°。

2）回采期間對超前影響段、劇烈影響段和留巷穩定段采取不同的支護措施。

3）采用沿空留巷技術，取消區段保護煤柱，提高煤炭資源回收率，經濟效益顯著。