同忻煤礦切頂卸壓沿空留巷技術應用

張弘弦

（晉能控股煤業集團安全生產指揮中心，山西 大同 037000）

0 引言

我國大部分煤礦所采用的煤柱留設式的工作面開采方法對本就緊缺的煤炭資源造成浪費，煤柱大量留設使工作面的資源回收率降低[1-2]。沿空留巷技術可以做到工作面無煤柱開采，不僅避免煤柱留設造成的資源浪費，還能夠減少巷道掘進的工程量，有利于礦井工作面接替部署，是煤礦企業安全高效生產的關鍵。沿空留巷開采技術的重點是如何避免采空區頂板應力傳遞造成留設巷道應力集中，從而出現巷道圍巖大量變形破碎，容易出現冒頂、片幫等安全事故，導致留設巷道無法正常使用。基于此，提出切頂卸壓技術，對頂板進行預裂，將采空區與留設巷道頂板的應力傳播路徑切斷，可以有效避免采空區應力對留設巷道圍巖造成影響[3-4]。

同忻煤礦根據三盤區8206工作面的地質條件應用沿空留巷無煤柱開采技術，經過不斷優化頂板預裂爆破參數，得到最為合理的爆破方式，8206工作面裂頂卸壓后，對留設巷道進行了分段圍巖變形監測，證明留設巷道圍巖變形情況得到了有效控制，能夠滿足工作面回采的需求。

1 工作面概況

同忻煤礦三盤區8206工作面沿空留巷布置如圖1所示，8206工作面走向長度為691.4 m，傾向長度為293.5 m，該工作面下方與8207工作面相鄰，回采至8207工作面設計切眼位置時進行沿空留巷，留巷長度為437 m，巷寬4.4 m，巷高3.6 m。

圖1 8206工作面沿空留巷布置平面圖

工作面主采山西組2號煤層，工作面標高888～908 m，煤層傾角1°～4°，平均傾角3°，煤厚2.1～3 m，平均煤厚2.68 m，煤層結構穩定。老頂巖性為中粗砂巖，平均厚5.5 m，直接頂巖性為細砂巖，平均厚9.5 m，煤層與直接頂之間夾有一層0.52 m厚的泥巖偽頂，直接底巖性為粉細砂巖，平均厚0.98 m，8206工作面頂底板巖性描述詳情見表1。

表1 8206工作面頂底板巖性

2 切頂卸壓原理及效果分析

切頂卸壓對沿空留巷沿采空區側的頂板進行爆破預裂，按照計算的爆破參數將頂板按照設計切斷，消除沿空留巷的懸頂現象，改善留設巷道圍巖的力學環境，避免采空區應力傳遞到留巷區域對留巷圍巖造成影響[6-8]，沿空留巷懸頂現象如圖2所示，沿空留巷切頂卸壓效果如圖3所示。

圖2 沿空留巷懸頂示意圖

圖3 切頂卸壓效果示意圖

2.1 爆破方案設計

爆破使用煤礦專用乳化炸藥、毫秒級延時雷管、礦用導爆索以及聚能管。首先對8206工作面頂板進行取芯分析，確定預裂爆破鉆孔角度為75°，孔徑為50 mm，孔深為11 m，封孔長度為5 m，孔間距600 mm，裝藥量為450 g/m，頂板預裂長度為6 m。裝藥方式為孔底不耦合使連續裝藥，爆破方式為聚能定向爆破[5]。預裂爆破鉆孔布置如圖4所示，炸藥布置如圖5所示。

圖4 預裂爆破鉆孔布置圖

圖5 預裂爆破鉆孔炸藥布置圖

2.2 爆破效果分析

切板爆破是否有效可通過觀察孔壁裂縫分布、裂縫長短進行判別，工作面頂板預裂爆破供采空鉆孔窺視儀對孔壁進行觀察，如圖6所示，孔壁上裂縫較少切分布不均，沒有方向連續性，而且裂縫長度較短，在孔深12 m處出現了塌孔現象，本次爆破效果不夠理想，無法滿足切頂卸壓的需求，需進行改進。

圖6 孔內窺視效果圖

3 切頂卸壓爆破方案優化

3.1 爆破參數優化

由于初次爆破預裂效果較差，因此對工作面頂板進行打鉆取芯，確定工作面現場地質條件，發現現場地質條件與地質資料不符，根據工作面實際地質條件優化切頂卸壓爆破參數。

1）切頂高度。為保證切頂爆破后，垮落頂板能夠順利落下形成留巷巷幫，切頂高度可通過公式（1）計算得出：

式中：Mz為切頂高度，m；H為工作面割煤高度，8206工作面為3.2 m；T為頂煤厚度，8206工作面為2.6 m；SA為煤層老頂下位巖梁見矸處的沉降值，取值為0.2H，8206工作面為0.64；C為殘煤厚度，m。其中殘煤厚度C可根據公式（2）計算得出：

式中：η為煤炭放出率，8206工作面為0.85；T為頂煤厚度，8206工作面為2.6 m；Km為頂煤垮落后的膨脹系數，8206工作面為1.1。可根據公式（2）計算得到殘煤厚度為0.429 m，根據公式（1）計算得到切頂高度為18.9 m。

2）爆破孔長度。已知切頂高度為18.9 m，結合現場取芯情況以及爆破經驗，確定爆破孔長度為16m。

最終切頂卸壓爆破方案參數確定為預裂爆破鉆孔角度為75°，孔徑為50 mm，孔深為16 m，裝藥長度為4 m，封孔長度為5 m，孔間距600 mm，裝藥量為450 g/m。圖7為爆破方案優化后的裝藥示意圖。

圖7 爆破方案優化后的裝藥示意圖

3.2 優化后爆破效果分析

爆破參數優化后對爆破孔進行孔壁窺視，如圖8所示。較之未優化前的爆破效果，優化后的爆破效果顯著提高，圖8中可以看到爆破孔孔壁上明顯可見裂縫縱向延伸，裂縫長度超過了裝藥長度的60%，且爆破孔內部裂縫沿縱向分布，將鉆孔沿縱向切開，爆破效果達到預期，能夠滿足切頂卸壓技術的要求。

圖8 優化后炮孔窺視效果

4 留巷后圍巖變形監測分析

留巷結束后，根據現場情況將留設巷道分成前中后3個區域進行圍巖變形監測，分析巷道的礦壓顯現情況。

4.1 巷道前區監測分析

0-140 m為沿空留巷前區范圍，該區域自留巷結束后圍巖變形情況基本無變化，較為穩定。前區圍巖變形曲線如圖9所示，根據1號監測站記錄數據進行分析，在工作面75 m回采范圍內，巷道頂板下沉量在50 mm之內，75-120 m范圍內，頂板下沉量逐漸增加，達到了100 mm，頂板在總體上呈緩慢下沉狀態，且下沉量較小，比較穩定；在工作面100 m回采范圍內，底板鼓起量在100 mm之內，回采100 m以后，底板鼓起量突然增加，達到了150 mm，然后趨于穩定；留設巷道兩幫變形量基本都在50 mm范圍之內，穩定程度較高。留設巷道前區范圍內，圍巖變形量較小，巷道穩定性能夠滿足使用需求。

圖9 留巷前區圍巖變形監測曲線

4.2 巷道中區監測分析

根據3號監測站記錄數據進行分析，巷道中區礦壓顯現較為明顯，巷道圍巖變形量較大。見圖10。

圖10 留巷前區圍巖變形監測曲線

由圖10可知：在工作面63-70 m回采范圍內巷道頂板最大下沉量為100 mm，工作面回采至93 m處時，巷道頂板最大下沉量為200 mm，工作面回采至181 m處時，巷道頂板最大下沉量為450 mm，然后趨于穩定，下沉量不在變化。工作面63 m回采范圍內，底板最大鼓起量為50 mm之內，基本無變化，工作面回采至93 m處時，底板最大鼓起量為150 mm，工作面回采至181 m時，底板最大鼓起量為320 mm，然后底板趨于穩定，變化不大。墻體側巷幫在回采過程中較為穩定，僅在工作面回采至63 m以后出現了50 mm左右的變形。煤體側巷幫在工作面30 m回采范圍內較為穩定，受工作面采動影響，頂板壓力顯現，巷幫變形量逐漸增加，工作面63-70 m回采范圍內，巷幫最大變形量為120 mm，工作面回采至93 m處時，巷幫變形嚴重，最大變形量達到710 mm，直至工作面回采至216 m以后才趨于穩定，不在變化。通過分析得知：煤體側巷幫變形嚴重是由于工作面在回采過程中，煤體上覆巖層來壓，煤體側巷幫位于高應力區域，且煤層硬度不足，在承壓狀態下煤體破碎，導致巷幫變形量變大。

4.3 巷道后區監測分析

留設巷道后區整體基本無變化，平均巷高3.3 m，平均巷寬為4.2 m，巷道圍巖變形量基本都在50 mm范圍之內，完全可以滿足巷道使用需求。

5 結語

沿空留巷無煤柱開采技術的關鍵是切頂卸壓技術，切頂卸壓可以有效降低沿空留巷圍巖應力集中的現象，保證留巷圍巖不會出現大量變形影響使用。切頂卸壓技術的關鍵是爆破預裂參數的科學合理，科學有效地爆破參數能夠避免對沿空留巷頂板造成破壞，從而影響到留巷底板錨索的受力結構，保證爆破裂頂的效果，使采空區頂板垮落高度達到設計要求形成新的巷幫，實現快速成巷的目的。

根據工作面現場頂板的取芯情況，結合以往的爆破經驗優化預裂切頂的爆破方案參數，爆破后切頂卸壓效果良好。通過對沿空留巷圍巖進行變形監測及分析，發現留設巷道沒有出現應力集中現場，巷道圍巖變形量得到控制，應用效果顯著。