陶二礦切頂卸壓沿空留巷技術研究與應用

劉樹輪

（冀中能源邯鄲礦業集團有限公司，河北 邯鄲 056300）

0 引言

傳統的雙巷留煤柱工作面布置模式不利于提高煤炭資源回收率，在深部煤層開采過程中極易誘發應力集中釋放，造成沖擊事故。在對煤炭的安全高效開采工作的探索中，何滿潮院士提出了“110 工法”無煤柱開采技術[1-2]，該工法不僅有利于提升煤炭資源的回收水平，同時在特定情況下降低了井下煤巖體地應力釋放。伴隨“110 工法”的大量實踐，眾多專家、技術人員對切頂卸壓沿空留巷方法及實施效果進行了深入的總結分析。萬海鑫等[3]利用理論分析及數值模擬的方法研究了頂板爆破卸壓的原理，總結歸納了切頂卸壓后留巷頂幫巖體演化變形特征，提出了“超前爆破預裂頂板結合液壓支柱配合鉸接頂梁”的綜合留巷支護技術方案；趙斌等[4]嘗試利用聚能爆破器材，結合高恒阻大變形NPR 錨索對厚硬砂巖頂板進行切頂卸壓，以降低圍巖的局部應力釋放，為厚硬砂巖頂板切頂卸壓沿空留巷提供了爆破、支護材料方面的有益嘗試。以上研究均為切頂卸壓模式下的沿空留巷積累了寶貴的實踐經驗。本文通過陶二礦1223 工作面皮帶巷切頂卸壓沿空留巷的成功應用，為邯邢地區厚層堅硬砂巖頂板條件下切頂卸壓沿空留巷技術的推廣提供有益參考。

1 切頂卸壓沿空留巷理論模型及技術路線

1.1 理論模型

回采工作面切頂卸壓沿空留巷技術，是在對采面外段兩巷實施超前支護的基礎上，通過提前在兩巷外段靠采面一側頂板布置預裂鉆孔，對工作面頂板進行定向爆破，制造規則頂板切割線，進而切斷老空區與留巷頂板之間的連接，有效釋放沿空留巷段圍巖集中應力的一種頂板控制技術[5-7]。隨采面推進，空區頂板懸露面積加大，在采面頂板周期來壓的作用下，工作面兩巷靠空區側頂板巖石離層，沿規則頂板切線處垮落，進而成為沿空巷道的一幫[8]，待垮落體穩定后補強該側巷幫支護，確保留巷段頂幫加固可靠，進而達到安全、穩定留巷的目的[9]。

1.2 技術路線

在工作面切頂卸壓沿空留巷技術中有2 個極為重要的環節，即支護與切頂，均與施工現場的地質條件有關。因此，方案設計及施工過程中，應考慮結合陶二礦1223 工作面地質開采條件進行。1223工作面開采煤層為2 號煤，為邊角煤開采工作面，埋深350.4 ～396.3 m，工作面煤層傾角平均為13°，煤厚2.5～3.5 m，工作面為綜合機械化采煤，頂板管理方法為全部垮落法。2 號煤上局部發育平均厚0.2 m 的炭質泥巖偽頂；煤層基本頂為厚6.7 m 的細粒砂巖，細粒砂巖巖石抗壓強度較高（大于90 MPa），煤層較厚且頂板巖層較硬。為提高頂板預裂效果，嘗試利用定向聚能模式進行預裂爆破，具體通過“施工預裂深孔、埋定向切縫管結合不耦合裝藥”的施工工序對頂板進行預裂。結合細粒砂巖頂板巖石力學特征制作專用的定向切縫管，通過多次試驗確定其裂縫尺寸規格。實際應用表明，該輔助設備既方便深孔爆破裝藥，又可將爆破動能全部釋放于切縫方向，在指定方向集中釋放應力，達到定向切割頂板的目的。

本文基于陶二礦2 號煤厚硬砂巖頂板條件，提出了“超前強化預裂段頂板、定向預裂爆破結合留巷段采空側補強”綜合切頂卸壓沿空留巷技術路線，如圖1 所示。

圖1 切頂卸壓沿空留巷綜合技術工藝示意Fig.1 Comprehensive technical process of gob-side entry retaining with roof cutting and pressure relief

具體施工步驟如下:①回采工作面正常推進過程中，使用高預應力錨索對皮帶巷留巷處靠采面側頂板強化支護；②自支架切頂線到留巷強化支護段的頂板，施工定向預裂爆破切縫炮孔，完孔后裝藥，嚴格按程序實施預裂爆破，確保預裂切頂線生成規則裂隙；③回采工作面正常推進；④工作面推進一定位置后，及時補強采面皮帶巷端頭后方靠近空區一側支護，安設一定數量的支柱用于阻擋串矸進入留巷，巷中搭設單體支柱與液壓抬棚，對皮帶巷留巷頂板進一步加固，預裂后的頂板巖體在工作面周期來壓作用下會沿著定向切縫線斷裂回轉，進而滑落為留巷的巷幫；⑤對1223 采面后方留巷段靠近老窯一側進行防串、漏風的密閉處理；⑥對皮帶巷留巷段進行定期圍巖壓力監測，在工作面空區頂板來壓釋放完全、巖體不再垮落之后，回收之前補強的支柱及抬棚等可重復利用的設備。

2 切頂卸壓沿空留巷實施方案

2.1 超前強化預裂段支護

1223 工作面皮帶巷采用梯形巷道斷面，巷道凈規格4.5 m（寬） ×3.0 m（高），支護類型為錨網梁聯合支護。皮帶巷掘進期間頂錨桿選用φ20 mm×2400 mm 的阻尼螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×900 mm，頂錨索選用φ17.8 mm×7920 mm鋼絞線，順巷3 列，隔1 架3 根，均勻布置。幫錨索選用φ15.24 mm×4200 mm 鋼絞線，間排距為800 mm×900 mm，幫部頂角和底角錨索距頂、底均不大于300 mm。

回采過程中，在工作面推進方向一定范圍內，對留巷的皮帶巷進行超前強化支護。具體形式為，在原有的錨網梁聯合支護的基礎之上，將原隔架錨索補齊，并在靠近采空區邊緣側進行長預應力錨索+W 鋼帶加固支護，錨索選用φ21.8 mm×10000 mm 鋼絞線，錨索間距為800 mm，要求錨索漲拉力不小于40 MPa，施工超前于工作面不小于60 m。

2.2 施工定向預裂爆破

在充分掌握施工現場圍巖巖性及巖石物理特征的基礎上，合理確定定向預裂切縫爆破參數，通過預裂切縫爆破達到把采場頂部的基本頂有規則切斷的目的，并確保垮落巖體均勻充滿老塘空間。

（1） 鉆孔深度為8.0 m、鉆孔間距為0.5 m、鉆孔直徑為48 mm，鉆孔布置于采煤側巷道頂板，沿皮帶巷走向呈直線均勻分布；鉆孔垂向上朝工作面煤體偏斜25°，水平方向上與巷道走向垂直；選用礦用三級乳化炸藥，單孔裝藥量12 卷，藥卷規格為32 mm×200 mm，單卷質量200 g。

（2） 裝藥結構。為裝藥方便的同時，確保預裂效果，采用特殊設計的定向切縫管作為爆破孔內裝藥的載體，管體為雙抗PE 材料，切縫管規格為35 mm（直徑） ×3 m（管長），管軸表面設計有距管一端320 mm 均勻分布的4 個矩形孔，矩形孔規格為3 mm（高） ×500 mm（長），孔間距為400 mm（圖2）。每個預裂鉆孔內填裝3 套預裂切縫管，炸藥可填充于套管內，正向填裝，炸藥間為不耦合空氣包間隔。同時，為裝藥方便并確保爆破能量釋放充分完全，采用削尖木楔填塞第一套預裂切縫管端部，每個預裂孔內采用2 根礦用毫秒延期電雷管、1 根安全導爆索連線起爆。實際施工中，要確保導爆索插入到預裂孔底部第一卷藥卷內，2 根電雷管1 根插到預裂孔底部第二卷藥卷內、1 根插到預裂孔開口處第一卷藥卷內。單節預裂管藥卷裝畢，用水炮泥將各預裂管隔離開，水炮泥封堵隔離長度不小于500 mm。詳細裝藥結構如圖3 所示。

圖2 定向切管結構示意Fig.2 Directional pipe cutting structure

圖3 裝藥結構示意Fig.3 Instruction of charge structure

（3） 封孔結構。為減少、緩沖預裂爆破時鉆孔縱軸方向產生的應力波，降低爆破過程中的無效能量損失，充分提高預裂爆破效果，在留巷段定向預裂爆破過程中，爆破鉆孔封孔選取了“炮泥+水炮泥+炮泥”的封孔結構，設計單個預裂鉆孔封孔長度為4.3 m，自預裂孔孔底往外依次填入0.5 m炮泥、1.0 m 水炮泥、2.8 m 炮泥，用炮棍壓實。根據實施爆破效果，本次預裂施工采取同時起爆5 個預裂鉆孔的起爆方式。

2.3 補強工作面后方留巷段支護

工作面切頂線以里的老空留巷段采取打設靠幫密集木點柱，架設搭配鉸接梁的單體液壓支柱組合支護方案進行補強，如圖4 所示。為防止頂板來壓時垮落矸石涌入留巷，在工作面推采后，及時于工作面切頂線后方留巷段內打設密排木點柱支護進行擋桿，點柱安設時應確保緊貼皮帶巷巷道上幫，安設柱距不小于500 mm，點柱間里側掛金屬方格網，用鉛絲捆綁，確保方格網與頂網重合搭接，長度不小于300 mm；同時，受采空區頂板離層、垮落影響，留巷段動壓明顯，且留巷段頂板在檐體張拉力的作用下變形量較大，因此，需要對工作面切頂線以里的留巷段頂板采取臨時加強支護措施，采用單體液壓點柱配合鉸接梁進行支護，沿巷道方向打設2 排，距離巷道切縫線600 mm、1600 mm 布置，打設要求緊跟工作面下部端頭支架，確保有足夠的初撐力及工作阻力。

圖4 留巷補強支護方案示意Fig.4 Reinforcement support scheme for retaining roadway

3 沿空留巷效果分析

從現場觀測情況來看，沿空留巷的巷道頂板完整性較好，沒有出現較大的變形量；從切頂側看，隨著切頂處采空區冒落，巷道頂板沒有明顯下沉，說明切頂爆破有效，切頂卸壓成功。從錨索支護來看，支護能有效保證頂板完整，滿足頂板壓力要求；從巷道單體柱支護來看，壓力值隨著采空區冒落數值增加然后趨于平穩。通過十字觀測法觀測巷道變形量來分析，巷道留巷一開始變形量較小，隨著周期來壓，巷道會有變形，之后趨于平穩，平均巷道高度變形量有20 cm，巷道寬度變形量有10 cm（圖5），巷道寬度變形量主要來自煤幫一側受壓幫鼓。

圖5 留巷圍巖綜合變形量Fig.5 Comprehensive deformation of surrounding rock in retaining roadway

現場實際施工及后期巷道變形觀測情況表明，定向切頂預裂爆破能夠使留巷段頂板按預定的方向斷裂，采動后空區頂板能沿預裂面回轉垮落，進而減少老空區檐體對留巷段頂板的壓力，實現卸壓的最終目的；同時，配合留巷段內補強組合支護措施，實現了留巷段圍巖的快速穩定，減小了巷道后期變形量。

4 結 論

（1） 針對陶二礦厚硬砂巖頂板難以自行垮落的實際，利用切頂卸壓方式在1223 工作面皮帶巷沿空留巷，根據切頂卸壓沿空留巷理論模型，提出了“超前強化預裂段頂板、定向預裂爆破結合留巷段采空側補強”一整套綜合切頂卸壓沿空留巷技術路線。

（2） 依據沿空留巷技術路線，提出了具體的切頂卸壓、留巷補強施工方案，預裂爆破使用定向聚能切縫管、深孔不耦合裝藥方式、一次多孔起爆方法，提高了預裂切頂效果；采用長預應力錨索+W 鋼帶超前強化預裂段支護，保證了留巷頂板的完整性；工作面后方沿空留巷采用柱距0.50 m 貼幫密集木點柱、單體液壓支柱配合鉸接梁進行補強支護，減少了留巷后期圍巖變形。

（3） 現場實踐應用表明，爆破切頂后巷道頂板能按預定方向切縫，切頂效果良好；切頂過程中，巷道備修段圍巖變形率較小；推采后，留巷支護效果良好，達到了留巷的目的。