黃陵一號煤礦中厚煤層切頂卸壓沿空留巷技術研究

荊 琪 石新禹

（陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307）

沿空留巷技術作為無煤柱開采工藝的方式之一，能夠有效提高煤炭資源回收率，減少回采巷道掘進工程量，緩解采掘接續緊張[1-6]。但由于沿空留巷工藝難度大、受地質條件影響嚴重等原因，仍有部分礦井難以實現該回采工藝。以黃陵一號煤礦1009 工作面為研究背景，通過理論分析、數值模擬及現場實測等方法，開展中厚煤層切頂卸壓沿空留巷技術研究。

1 工程背景

黃陵一號煤礦原有巷道布置方式采用“一進一回U 型”布置方式，工作面間區段煤柱30 m。根據以往的回采經驗顯示，30 m 區段煤柱能夠滿足礦井安全生產需求，但傳統的巷道布置方式造成了煤炭資源浪費，因此，在1009 工作面開展沿空留巷開采技術研究。1009 工作面巷道布置關系如圖1。

圖1 1009 工作面巷道布置關系圖

1009 工作面煤層平均厚度2.4 m，傾角0～6°，平均埋深400 m，寬度235 m，推進長度2809 m。工作面直接頂為砂質泥巖，平均厚度9.8 m；基本頂為細粒砂巖，平均厚度9.2 m；直接底為泥巖，平均厚度8.0 m；基本底為細粒砂巖，平均厚度8.3 m。

2 理論分析

2.1 1009 工作面頂板垮落機理

根據煤礦實際地質條件，采用爆破預裂方式對頂板進行切頂，在采場周期來壓下控制頂板的回轉和變形[7-10]，縮短頂板懸臂梁長度。初期采用“U29型曲線擋矸柱+單體液壓支柱”聯合支護形成巷旁支護，在留巷距離超過200 m 后采用垛式支架進行支護，最終形成下一個工作面的回采巷道。

2.2 1009 工作面爆破預裂參數設計

（1）切縫高度

沿空留巷切頂預裂參數通常根據切縫高度，采用現場試驗的方法進行確定，切縫高度主要通過頂板巖石的碎脹性進行確定，見式（1）：

式中，HF為切縫高度，m；HM為煤層厚度，取2.2 m；△H1為頂板下沉量，取0.1 m；△H2為底鼓量，取0.1 m；K為碎脹系數，取1.3。

根據1009 工作面實際地質條件，對上述參數進行取值，經計算得出，切縫高度為6.7 m。考慮實際施工難易程度，在實際施工過程中按7 m 進行施工。

（2）裝藥量參數

綜合考慮理論計算及頂板巖性，頂板預裂切縫孔參數為Ф48 mm×7 m；切縫孔距巷道靠采煤面側200 mm，與法線夾角為10°，切縫孔間距500 mm。如圖2。

圖2 1009 輔運順槽頂板預裂縫孔施工斷面圖（mm）

雙向聚能裝藥裝置采用特制雙向聚能管，其規格為外徑42 mm，內徑36.5 mm，管長1500 mm，安裝于頂板預裂切縫孔內，單孔3 根雙向聚能管，管間采用特制裝置連接。雙向聚能管內安裝煤礦許用三級乳化炸藥和毫秒延期電雷管，自上而下，第一節、第二節雙向聚能管均安裝3 卷炸藥，第三節雙向聚能管內安裝2 卷炸藥，炸藥規格均為Ф32 mm×200 mm/卷，炮泥封孔，炮泥地面提前預制。

（3）爆破參數

切縫孔裝2 空1（2 孔裝藥、1 孔不裝藥）為一組，五組為一個爆破循環，每天完成兩個爆破循環。有效爆破距離15 m，高于工作面每天推采12.8 m 進度的需求。

3 沿空留巷數值模擬分析

3.1 模型建立

根據1009 工作面實際地質情況，采用MIDAS軟件進行網格劃分，FLAC3D數值模擬軟件進行模擬運算，建立模型共計115 227 個節點，106 720 個單元，模型尺寸為210 m×100 m×79.5 m。對模型施加邊界條件，即對模型四周施加位移約束，底面固支，同時對模型頂板施加5 MPa 的均布載荷，代替上覆地層自重。

3.2 模擬方案

模擬方案擬采用循環開挖工作面的方式代替工作面回采，開挖時步為每3000 步一個開挖循環，同時對1009 輔運巷的頂板施加弱化處理，代替切頂爆破。根據工作面開挖后1009輔運巷的成巷效果，評價1009 工作面沿空留巷實施工藝。

3.3 數值模擬結果分析

采用布置監測線的方法，提取當工作面開挖見方時，超前煤壁20 m 范圍內垂直應力與巷道中心關系，繪制曲線圖如圖3。由圖3 可知，在工作面超前20 m 范圍內，側向支承壓力基本呈先上升、后下降、再上升的趨勢，1009 輔運順槽處在應力降低區范圍內。由此可以推斷，1009 工作面實施沿空留巷工藝，1009 輔運順槽具備一定的成巷條件，沿空留巷布置位置合理。

圖3 超前煤壁20 m 范圍內垂直應力與巷道中心關系

采用布置監測線的方法，提取當工作面開挖見方時，超前煤壁20 m 范圍內垂直位移與巷道中心關系，繪制曲線圖如圖4。由圖4 可知，在1009 輔運順槽頂板范圍，超前煤壁5 m、10 m、20 m 范圍巷道頂板下沉量呈現先上升、后下降、再上升，峰值分別為13.1 mm、11.3 mm、8 mm。由此可以推斷，采取沿空留巷施工工藝后，1009 輔運順槽巷道變形不大，基本滿足巷道成型要求。

圖4 超前煤壁20 m 范圍內頂板下沉量與巷道中心關系

4 工程應用

4.1 切頂孔爆破預裂效果觀測

沿空留巷的切頂預裂爆破孔成孔效果及爆破預裂效果在一定程度上能夠指導工作面切頂作業，因此，采用礦用本安型鉆孔窺視儀CXK12（A）對頂板切頂孔進行觀測。

通過對施工切頂孔的空孔進行切頂效果觀測，鉆孔窺視結果如圖5。由圖5 可知，在孔深3 m 處開始出現縱向預裂切縫，預裂切縫成縫效果良好。隨著鉆孔深度的增加，在孔深達到5.5 m 時切縫裂隙持續發育。由此可以推斷，1009 工作面切頂預裂效果良好。

圖5 鉆孔窺視結果圖（m）

4.2 工作面礦壓觀測

采用礦用KJ593 頂板礦壓監測系統對1009 工作面支架載荷進行監測，可知工作面支架載荷分布均勻，峰值為37.4 MPa，未超過40 MPa，表明采空區頂板隨著工作面循環推進及時垮落，1009 輔運順槽頂板未發生懸頂。

5 結論

（1）對1009 工作面切頂預裂數字模擬分析，發現1009 輔運順槽處在應力降低區范圍內，超前煤壁5 m、10 m、20 m 范圍巷道頂板下沉量呈現先上升、后下降、再上升，1009 輔運順槽巷道變形不大，基本滿足巷道成型要求。

（2）1009 工作面沿空留巷現場實測結果顯示，1009 輔運順槽切頂預裂爆破孔在深度3 m 首次出現縱向裂隙，裂隙持續發育，切頂效果良好。

（3）對1009 工作面支架載荷觀測，發現1009工作面支架載荷峰值為37.4 MPa，采空區頂板隨著工作面循環推進及時垮落，1009 輔運順槽頂板未發生懸頂，工作面沿空留巷工藝實施合理。