晉城礦區9#煤層爆破切頂無煤柱留巷技術研究

周晉碧，趙瑋燁

（1.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西晉城048000；2.山西晉煤集團技術研究院有限責任公司，山西晉城048000）

目前，國內很多礦井采用區段煤柱護巷技術，存在礦井資源回收率低、采掘接替緊張、上隅角三角區瓦斯超限、巷道萬噸掘進率高等問題。沿空留巷是一種在采煤工作面后沿采空區邊緣維護和保留原回采巷道的技術[1-4]，其顯著的優勢在于能夠提高煤炭采出率、降低巷道掘進率、緩解采掘銜接緊張、使工作面構成Y型通風系統，基于以上優勢沿空留巷已經成為科學采礦的重要發展方向和技術支撐[5-7]。

山西晉煤集團葦町煤礦主要開采沁水煤田9 號煤層，平均煤厚1.6m，順槽巷道多為半煤巖巷，采用留設區段煤柱護巷方式，存在掘進速度慢、采掘接替緊張、出矸率高、成本高、經濟效益低等問題，同時面臨矸石堆放的環保壓力。因此，無煤柱沿空留巷技術作為消除煤柱引起的不利影響、緩解采掘銜接、提高煤炭資源回收率、減少出矸率等有利手段，成為礦井安全、高效開采的主要攻關技術之一[8-10]。

1 工程概況

葦町煤礦91310工作面位于礦井九一盤區，該盤區東部與葦町村為界，北部、南部均以井田邊界為界，西部與九二盤區相鄰。九一盤區東西長1.2km，南北寬1.1km，盤區面積約1.32km2，地質資源量195.5×104t，設計可采儲量為115.6×104t，設計能力0.60Mt/a，服務年限約2年。礦井采用斜井單水平開拓方式，采用傾向長壁一次采全高開采方法，采空區頂板以全部垮落式管理。

91310工作面采用雙巷布置，工作面南部沿葦町村保護煤柱布置91219 巷，作為工作面進風兼作膠帶巷；北部布置91220巷作為工作面進風兼輔助運輸巷；東部布置開切眼，對晉東南至荊門1000kV特高壓線塔基留設100m保護煤柱。91219巷、91220巷和切眼均沿9號煤層底板布置，采用矩形斷面，兩條順槽為新掘巷道。91220 巷為91310 工作面留巷巷道，留巷長度170m。工作面切眼長175m。巷道布置及留巷位置圖見圖1。

圖1 91310工作面巷道布置及留巷位置圖

根據現場取芯、鉆孔窺視結果，結合礦井鉆孔綜合柱狀圖，對91310 工作面綜合柱狀圖進行繪制，如圖2所示。依此頂板巖層結構為依據，進行預裂爆破工藝參數設計。

2 沿空留巷支護技術方案

2.1 切頂留巷工藝過程

圖2 91310工作面巖層綜合柱狀圖

切頂卸壓留巷施工工藝包括超前采煤工作面的恒阻大變形錨索補強支護、預裂爆破、工作面后方巷旁擋矸支護、巷內臨時支護等工藝，各施工工藝順序為：①超前采煤工作面不小于100m，施工恒阻大變形錨索補強支護；②超前工作面使用切縫鉆機施工聚能爆破鉆孔，超前采煤工作面不小于50m，依次進行預裂爆破，形成切頂卸壓預裂切縫線；③工作面推進過程中，緊跟工作面支架，按設計位置進行擋矸支護；④巷旁擋矸支護安裝完成后，立即進行該斷面巷道的臨時支護施工。

2.2 留巷支護參數設計

為了保證頂板切割效果和周期來壓階段圍巖的穩定性，在對91220巷預裂爆破切頂前使用恒阻大變形錨索補強支護。根據巷道目前支護參數、頂板巖層分布情況及恒阻錨索支護范圍至少超出切縫孔深度1m 的原則，設計恒阻錨索長度為8.3m，直徑21.8mm。

頂板共打設2列恒阻錨索，錨索直徑為21.8mm，長度為8.3m，第一排恒阻錨索距留巷幫0.6m，排距1m；第二排恒阻錨索距第一排恒阻錨索間距1.3m，排距2m；恒阻錨索全部垂直頂板打設，托板采用300mm×300mm×16mm 的平鋼板。沿空留巷段恒阻錨索補強支護如圖3所示。

2.3 巷道臨時支護

圖3 91220巷恒阻錨索補強與臨時支護圖

根據工作面回采過程中巷道變形監測數據，將采面附近區域劃分兩個階段：超前支護段（超前工作面0～30m），滯后維護段（架后0～170m），不同階段采取針對性的支護措施。①超前支護段：采用單體支柱配合π型梁以“一梁三柱”方式進行超前支護。π型梁長3.5m，靠近留巷側第一列單體柱距回采幫700mm，與第二列單體柱間距1.6m，第二列單體柱與第三列單體柱間距1.5m，排距1.0m；②架后維護區：采用單體柱+π型梁“一梁四柱”對頂板進行架后加強支護。即在超前支護的基礎上，在原第一列和第二列單體柱之間再增加1列單體支柱，新增加單體柱位于原第一列和第二列中間位置排距1.0m；由于工作面回采長度僅有170m，臨時支護在巷道復用時，隨著相鄰的91308工作面回采逐步回收。

2.4 采空區擋矸支護

采空區擋矸支護采用單體液壓支柱+U 型鋼可縮支柱緊壓鋼筋網進行，在巷道采面側幫沿切頂線布置一列單體支柱，與U型鋼可縮支架交替布置，單體柱間距、U型鋼可縮支架間距均為0.5m，單體柱與U型鋼支架間距為250mm。U型鋼內掛鋼筋網防止矸石竄入巷道。架后擋矸支護圖如圖4所示。

3 預裂爆破切頂工藝參數設計

綜合井下生產條件、頂板巖性、頂板爆破預裂切縫效果、打眼速度以及現場爆破參數試驗等因素，確定爆破切頂參數如圖5所示。每排布置1個爆破鉆孔，排距0.5m，在距回采幫距離200mm 位置開孔，鉆孔直徑40mm，長度7.3m，仰角15°。

采用D 型聚能管，外徑28mm，管長2000mm，長度可以根據現場情況而調整。爆破切頂采用礦用三級乳化炸藥，炸藥直徑φ=32mm，長l=200mm，重量m=200g，將炸藥均勻裝在聚能管內，每孔使用3 根聚能管裝藥，每根1.5m，裝藥長度4.5m，封孔長度2.5m，裝藥量按0.4kg/m 計算，加上孔底1 卷加強藥卷，每孔裝藥量約為2kg。見圖6。

圖4 91220巷架后擋矸支護圖

4 留巷效果考察與分析

在沿空留巷內布置礦壓監測點，對巷道變形、受力進行監測，從而對留巷效果進行評價。

圖5 鉆孔布置參數示意圖

根據切頂留巷圍巖變形、單體支柱壓力和活柱縮量監測數據分析，巷道臨空側受力大于煤柱側，巷道圍巖變形以頂板下沉為主，最大沉降量為155mm，頂底板移近量最大為248mm，兩幫最大移近量為294mm，從留巷開始至復用結束頂板最大累計沉降量為188mm，頂底板移近量最大累計為271mm，兩幫最大移近量累計為307mm，巷道變形量較小，滿足了下一工作面的使用要求。

圖6 沿空留巷現場效果圖