王村煤礦沿空留巷及爆破切縫鉆孔研究

劉 偉

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)王村煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

0 引言

王村煤礦8305工作面布置在4號(hào)煤層中，煤層平均厚度2.71 m，走向長(zhǎng)度707 m(2305巷至盤區(qū)回風(fēng)巷)5305巷718 m，可采625 m。工作面長(zhǎng)度198.3 m。8305工作面北相隔43.5～82.5 m為8303工作面采空區(qū)。工作面將遇4條正斷層，但斷層對(duì)回采影響較小。

根據(jù)之前工作面的回采經(jīng)驗(yàn)，工作面上方4 m處施工專用頂回風(fēng)巷，工作面回采后采空區(qū)自動(dòng)垮落。按照王村煤業(yè)公司成本核算辦法，頂回風(fēng)巷材料成本及人工成本12 000元/m計(jì)算，頂回風(fēng)巷需費(fèi)用960萬(wàn)元。外加設(shè)備的租賃費(fèi)用、洗煤廠矸石的洗選費(fèi)用等，共計(jì)1 200萬(wàn)元，預(yù)計(jì)頂回風(fēng)巷的施工工期為9個(gè)月，接替銜接非常緊張。為了節(jié)省專用頂回風(fēng)巷施工費(fèi)用，試驗(yàn)采用沿空留巷開(kāi)采方法。

由于8305工作面采用沿空切頂留巷，現(xiàn)對(duì)5305回風(fēng)順槽施工頂板爆破切縫鉆孔，探索使用KZQJJ-1200/11.9S氣動(dòng)架柱式振動(dòng)鉆機(jī)，鉆桿直徑φ42 mm，鉆頭直徑均采用φ48 mm，施工長(zhǎng)度為工作面煤壁側(cè)停采線至老塘幫635 m，在8305工作面采煤之前，自工作面向外，沿著回風(fēng)順槽方向每隔50 m布置取芯鉆孔10個(gè)，目的為探明直接頂向上各煤巖層的巖性特征，確定最合理切頂爆破實(shí)施方案。經(jīng)過(guò)對(duì)所有鉆孔取出的巖芯進(jìn)行分析后得出，最佳的切頂爆破鉆孔深度為8.3 m，采用間隔30 cm密集布置的方式，結(jié)果是顯而易見(jiàn)的。首先，不用每個(gè)鉆孔裝藥爆破，節(jié)省了炸藥量和人工；其次，頂板切頂效果好，頂板在采完煤后能夠迅速塌下，形成一個(gè)穩(wěn)定的采空區(qū)。

1 沿空留巷和切頂卸壓開(kāi)采技術(shù)

1.1 沿空留巷理論分析

沿空留巷技術(shù)是指在采煤工作面結(jié)束后沿著留下的采空區(qū)，對(duì)原回采巷道進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)修理，這樣是為了回收傳統(tǒng)采煤中的留置保護(hù)煤柱。利用一定的技術(shù)將上一區(qū)段內(nèi)的順槽重新支護(hù)，從而留給下一個(gè)區(qū)段繼續(xù)使用[1]。這種留巷的方法就是沿著采空區(qū)的邊緣進(jìn)行順槽完整保留，不僅可以提高對(duì)煤柱寬度的控制率，還可以減少順槽的變形量，增加煤礦的回收率，便于維護(hù)巷道。在施工過(guò)程中，還需要隔離采空區(qū)和巷道，留下一定空間，以防瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體進(jìn)入巷道，從而對(duì)工作人員造成安全威脅。雖然該項(xiàng)技術(shù)有利于煤礦綜采安全生產(chǎn)，但是在過(guò)去幾年當(dāng)中，施工的失敗率多于成功率，以致很多工程隊(duì)伍都對(duì)應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)失去了信心。近幾年，由于新技術(shù)開(kāi)發(fā)節(jié)奏變快，支護(hù)理論也取得了很大進(jìn)展，推行小煤柱開(kāi)采，不僅阻止了采空區(qū)瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體擴(kuò)散，也在一定程度上保證了掘進(jìn)巷道的安全性。經(jīng)過(guò)理論測(cè)試，6 m小煤柱是最安全的煤柱，目前廣泛地應(yīng)用于大同礦區(qū)煤田范圍之內(nèi)[2]。

1.2 切頂卸壓技術(shù)

切頂卸壓開(kāi)采技術(shù)采用聚能管定向爆破技術(shù)沿著巷道軸向靠近工作面?zhèn)瘸邦A(yù)裂頂板，在工作面周期來(lái)壓作用下，頂板沿著預(yù)裂縫切落[3]。切頂范圍內(nèi)頂板巖體垮落碎脹，支承上覆巖層，從而減少上覆巖層的下沉和回轉(zhuǎn)變形，實(shí)現(xiàn)留巷卸壓。再沿著工作面幫與頂板夾角處打30 cm深柱窩孔，用來(lái)固定U29鋼棚腿(共用2根，一根插入柱窩，一根帶柱靴固定在底板上，2根重疊起來(lái)中間用柱環(huán)卡住，相互錯(cuò)動(dòng)達(dá)到巷道的實(shí)際高度)并掛網(wǎng)保證切落的頂板不落入回風(fēng)巷中，切落的頂板巖體形成巷幫，隨著工作面推進(jìn)進(jìn)行噴漿形成假墻，再經(jīng)過(guò)采空區(qū)側(cè)防漏風(fēng)，防火處理即可使用。切落采空區(qū)內(nèi)古塘定期注入惰性氣體防止自燃。預(yù)計(jì)需要使用1 250根單體柱，在單體柱之間使用頂板壓力計(jì)測(cè)量頂板變形情況，隨時(shí)準(zhǔn)備加強(qiáng)支護(hù)。從而實(shí)現(xiàn)一面一巷的回采方式。主要的工藝流程為：掘進(jìn)施工工作面上下2條順槽—使用大變形恒阻錨索超前加固回風(fēng)順槽側(cè)采空區(qū)頂板—采用聚能環(huán)定向爆破技術(shù)進(jìn)行頂板預(yù)裂縫施工—回采工作面—頂板周期來(lái)壓作用下，切頂范圍內(nèi)巖體沿著預(yù)裂縫自動(dòng)切落成巷幫—對(duì)工作面后方穩(wěn)定區(qū)巷道進(jìn)行二次維護(hù)—對(duì)成巷區(qū)進(jìn)行防漏風(fēng)防火等密閉處理措施[4]。

2 “Y”型通風(fēng)與沿空留巷結(jié)合技術(shù)

在礦井采用“Y”型通風(fēng)之前采掘工作面供風(fēng)采用“U”型+局扇通風(fēng)方式，風(fēng)路復(fù)雜繁瑣，“U”型通風(fēng)方式中的采煤工作面上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉?jīng)常超限，制約著煤礦的正常生產(chǎn)和效益的提高[5]。為了沿空留巷嚴(yán)控工作面瓦斯而采用“Y”型通風(fēng)方式，將原來(lái)的“U”型一進(jìn)一回改為“Y”型兩進(jìn)一回通風(fēng)方式，從根本上消除和解決了上隅角及回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯管理困難等方面的安全隱患[6]，如圖1所示。過(guò)去的通風(fēng)方式，需要打一條專門的頂回風(fēng)巷用來(lái)補(bǔ)充回風(fēng)，防止瓦斯超限和有毒有害氣體的排出，即由2305巷進(jìn)風(fēng)，5305巷和8305巷作為回風(fēng)巷進(jìn)入東盤區(qū)回風(fēng)巷。如圖2所示，由2305巷和8305巷進(jìn)風(fēng)，再通過(guò)5305巷一小段聯(lián)絡(luò)巷和西盤區(qū)輔助回風(fēng)巷回風(fēng)。

圖1 原8305回采巷道平面示意Fig.1 Plane of the original 8305 mining roadway

圖2 8305沿空留巷平面示意Fig.2 Plane of 8305 gob-side entry retaining

3 沿空留巷成果探究

由于2305巷南側(cè)40 m為補(bǔ)回風(fēng)巷，8305切眼巷西側(cè)40 m為補(bǔ)回風(fēng)巷；回采方式采用5305沿空留巷作為回風(fēng)巷，工作面采用切頂卸壓自動(dòng)成巷(沿空留巷)后退式走向長(zhǎng)壁工作面全部垮落采煤法。此方法可節(jié)約一條專用回風(fēng)巷的施工成本[7]。

支護(hù)：5305巷沿空留巷段前除原有支護(hù)外增加兩排補(bǔ)強(qiáng)錨索加強(qiáng)支護(hù)；超前支護(hù)100 m，三排；沿空留巷段200 m，四排；留巷的采空區(qū)側(cè)使用金屬網(wǎng)、U29鋼和液壓?jiǎn)误w柱作為擋矸墻；2305巷超前支護(hù)30 m。如圖1～3所示。

通風(fēng)系統(tǒng)：8305工作面通風(fēng)方式為“Y”型，2305皮帶順槽為主進(jìn)風(fēng)巷，5305回風(fēng)順槽為輔進(jìn)風(fēng)巷。2305皮帶順槽、8305工作面切眼和5305回風(fēng)順槽組成8305工作面回風(fēng)系統(tǒng)[8]。

切頂卸壓：采用數(shù)值方法對(duì)無(wú)切縫和有切縫模型進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明，切縫能夠有效地切斷巷道及采空區(qū)頂板之間的應(yīng)力傳遞，而且使得巷道頂板變形量得到有效控制，極大地減小圍巖變形量。8305工作面采用對(duì)頂板預(yù)裂爆破形成切縫的方式，在局部范圍切斷工作面頂板應(yīng)力傳遞，減弱巷道頂板壓力，保護(hù)巷道頂板完整性。利用補(bǔ)強(qiáng)錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，控制頂板下沉，使所留巷道圍巖能夠最大限度地發(fā)揮自身承載作用，減少巷道變形，使留巷效果達(dá)到最好[9]。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，所留巷道會(huì)受到動(dòng)壓影響，需對(duì)架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)采取單體液壓支柱臨時(shí)支護(hù)的措施。

圖3 8305沿空留巷支護(hù)示意Fig.3 Support of 8305 gob-side entry retaining

爆破：采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，將三級(jí)煤礦乳化炸藥裝在2個(gè)設(shè)定方向有聚能效應(yīng)的裝置中，多孔裝藥，連續(xù)爆破。起爆后，炮孔圍巖在非設(shè)定方向上均勻受壓，而在設(shè)定方向上集中受拉，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巖石按設(shè)定方向拉裂成型，從而實(shí)現(xiàn)被爆破體按設(shè)定方向拉裂成型[10]。如圖4所示。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Charging structure

為減小切落頂板垮落時(shí)對(duì)留巷頂板的摩擦力作用[11]，且使得切縫頂板更容易垮落，要求5305巷道切縫孔與鉛垂線成15°夾角。切眼切縫孔與巷道頂板垂直，孔深8.3 m，垂直切縫深度8.0 m。

雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，管長(zhǎng)1 500 mm。聚能爆破炸藥采用煤礦許用三級(jí)乳化炸藥，采用炸藥規(guī)格為φ35 mm×300 mm/卷，電雷管采用同一段煤礦許用瞬發(fā)電雷管，爆破孔口采用水炮泥封孔[12]。裝炮泥的炮袋為φ42 mm×500 mm塑料炮袋，水炮泥外剩余部分用黏土炮泥封實(shí)。

連線方式采用大串聯(lián)，生產(chǎn)班只負(fù)責(zé)本班進(jìn)尺的預(yù)裂爆破。嚴(yán)禁超前生產(chǎn)進(jìn)行頂板預(yù)裂。

在5305順槽巷頂板距幫100 mm施工頂板松動(dòng)預(yù)裂鉆孔，鉆孔角度與水平面夾角為75°。使用KZQJJ-1200/11.9S氣動(dòng)架柱式振動(dòng)鉆機(jī)加放震動(dòng)炮，才能達(dá)到理想要求，鉆孔深度8 m，鉆孔間距0.5 m，一般每次放一個(gè)圓班的長(zhǎng)度。切頂預(yù)裂爆破在進(jìn)行聯(lián)孔爆破后對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破施工，先在8305切眼做爆破，當(dāng)工作面開(kāi)采推進(jìn)至支架尾端距切眼古塘幫1.5 m后，從切眼5305回風(fēng)順槽側(cè)開(kāi)始爆破孔的施工，首次爆破選擇8305切巷眼，切眼內(nèi)單個(gè)孔起爆試驗(yàn)，后期根據(jù)試驗(yàn)的爆破效果調(diào)整一次起爆數(shù)量。爆破切縫鉆孔示意圖如圖5所示。

圖5 爆破切縫鉆孔示意Fig.5 Blasting cutting-seam drilling

4 結(jié)論

(1)8305工作面有效地利用有利位置，采用切頂卸壓自動(dòng)成巷(沿空留巷)后退式走向長(zhǎng)壁工作面全部垮落采煤法，可節(jié)約一條專用回風(fēng)巷的施工成本，縮短準(zhǔn)備工期。

(2)根據(jù)5305的實(shí)際支護(hù)情況，選擇了適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)參數(shù)，有效維護(hù)留巷段的頂板。為工作面回風(fēng)提供有力保障，“Y”型通風(fēng)，工作面沒(méi)有上隅角，減少瓦斯積聚。

(3)鉆機(jī)不再采用過(guò)去的立柱撐住頂板和底板，而是有底座，加快了穩(wěn)裝速度。經(jīng)過(guò)調(diào)試后就能工作，而且效果良好，能夠?qū)@孔打在一條直線上，成孔效率高。

(4)沿空留巷是技術(shù)上更為先進(jìn)和合理的無(wú)煤柱開(kāi)采方式，是降本增效、提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益的有效手段，正確加以應(yīng)用能獲得比沿空掘巷更好的綜合效益。