定向預裂爆破切頂卸壓沿空留巷技術實踐

盧志敏

（1.國家能源充填采煤技術重點實驗室，河北 邢臺 054000；2.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；3.河北充填采礦技術有限公司，河北 邢臺 054000；4.河北省充填采煤技術創新中心，河北 邢臺 054000）

留設一定寬度的煤柱是煤礦常用的回采巷道護巷方法。但隨著煤礦開采深度的增大，礦山壓力更加劇烈，護巷煤柱的尺寸越來越大，部分礦井達到30～50 m。該部分資源無法回收，降低了煤炭資源的回收率。同時多煤層開采時，護巷煤柱容易引起應力集中，影響下煤層巷道的穩定[1-3]。因此，以沿空留巷為代表的無煤柱開采技術逐漸引起重視。針對不同的地質情況，無巷旁支護[4-5]、超高水材料巷旁充填[6-7]、爆破切頂[8-9]、柔模混凝土支護[10-11]等留巷技術均取得了較好的效果。冀中能源邯礦集團陶二礦經過多年的開采，賦存條件較好的資源開采殆盡，為提高煤炭資源回收率，在1223工作面開展了定向預裂爆破切頂卸壓沿空留巷技術的研究。

1 概 況

1.1 地質生產條件

陶二礦1223工作面位于井底車場西北部，為邊角煤開采工作面，北部為1221采空區，南部為電廠保護煤柱，東部為巖漿巖侵入注銷報損區，西部為大巷井底車場煤柱。工作面高-224—-178 m，地面標高168.6—174.4 m，煤層埋深350.4～396.3 m。所采煤層為2號煤，厚度0～5.20 m，平均3.0 m，煤層頂底板巖性如圖1所示。

圖1 1 223工作面頂底板巖性Fig.1 Roof and floor lithology of No.1223 Face

1.2 巷道永久支護參數

1223皮帶巷掘進期間采用錨網索支護，頂錨桿選用φ20 mm×2 400 mm的阻尼螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×900 mm，頂錨索選用φ17.8 mm×7 920 mm鋼絞線，順巷3列，隔一架3根，均勻布置。幫錨索選用φ15.24 mm×4 200 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。

2 定向爆破卸壓留巷原理

2.1 技術原理

傳統的留巷方式是在巷道內靠近采空區側加強支護或者構筑充填體，工作面回采過后，巷內及巷旁支護共同承載頂板載荷，如果頂板垮落不及時，則采空區未垮落巖層長期作用于巷內支護體上，導致頂板下沉嚴重，留巷效果差。而定向預裂爆破切頂卸壓的方式則是在工作面回采過程中，采場前方巷道中施工爆破鉆孔，對巷道頂板進行預切頂。使巷道頂板與工作面頂板產生裂縫，待工作面回采過后，采空區頂板沿裂縫回轉垮落，減少對巷內支護體的載荷，起到較好的留巷效果，如圖2所示。

圖2 切頂留巷技術原理Fig.2 Technical principle of cutting roof retaining roadway

2.2 關鍵技術

（1）高強支護。沿空保留的巷道要經歷2次采動影響，同時采用爆破切頂的巷道還受鉆孔爆破的影響，多次影響下，需要采用高強支護體及時進行支護。

（2）確定合理的切頂高度。合理的切頂高度應能保證采空區側頂板沿預定裂縫垮落，減少對巷內支護體的作用力，同時能夠填滿采空區，對未垮落巖層形成一定的支護作用，促進采空區頂板的穩定。

3 現場應用

研究表明，沿空留巷的巷道變形具有明顯的階段性，不同區域受工作面回采產生的支承壓力的影響程度不同，導致巷道變形速率及變形量有差異，主要分為超前加固區、劇烈變形區、穩定區等，在不同的區域應采取不同的支護方式[12]。結合1223皮帶巷的地質生產條件，確定留巷整體支護方案，如圖3所示。

圖3 切頂留巷總體方案Fig.3 Overall scheme of cutting roof retaining roadway

3.1 錨索加固

在原錨網索支護的基礎上，補打頂錨索進行加強支護。錨索規格為φ17.8 mm×1 000 mm，錨索間距為800 mm，錨索之間用W鋼帶連接。要求錨索漲拉力不小于40 MPa，超前工作面距離不得小于60 m。

3.2 定向爆破切頂

3.2.1 切頂高度的確定

按公式（1）計算切頂高度Hq。

式中：m為煤層厚度，m；H1為煤層頂板下沉量，m；H2為采空區底板底臌量，m；K為頂板巖層的碎脹系數。

陶二礦2號煤頂板主要為砂巖，碎脹系數按1.4計算，采空區頂底板移近量按0.3 m計算，可得切頂高度為7.8 m。

3.2.2 切頂角度的確定

合理的切頂角度有利于頂板垮落。建立切頂后上覆巖層的垮落模型，如圖4所示。

圖4 垮落后采空區覆巖力學模型Fig.4 Rock mechanics model of mined-out area after caving

根據力學關系，可得到切頂角度的計算公式。式中：α為切頂角度，（°）；R為巖塊B向下的作用力，kN；F為巷內支護體對頂板的作用力，kN；T為巖塊之間水平推力，kN；φ為巖塊之間的摩擦角，（°）。

根據1223工作面的地質條件，代入計算可得，切頂角度為12°～17°。

3.2.3 鉆孔布置

鉆孔深度為8.0 m，間距為500 mm，與回采幫的距離為300 mm。經優化采用MQ130錨桿鉆機使用45 mm的專用鉆頭進行施工，按照三維空間上與水平面成75°角，與鉆孔連線垂直。

3.2.4 裝藥結構

為保證切頂線沿工作面推進方向，將炸藥裝進聚能管中。炸藥爆炸產生的能量通過聚能管上的聚能槽定向切割頂板，形成15 mm左右的裂縫。1223皮帶巷采用的聚能裝置為BTC-1200特制聚能管，聚能管外徑為40 mm、壁厚為2 mm，每根聚能管長度為1 200 mm。所采用的炸藥為三級礦用乳化炸藥，直徑為32 mm，每卷長度為300 mm。根據切頂高度，每個鉆孔使用4根聚能管，裝藥量由內向外依次為3卷、3卷、2卷、2卷。每次爆破均是從孔底開始安裝聚能管連續裝藥，并安設雷管和引線。每個聚能管設置一個雷管。孔口用炮泥封孔，封孔長度不低于3 000 mm。

3.3 擋矸支護

靠近采空區支設礦用工字鋼掛雙層金屬網，工字鋼兩端用110 mm×90 mm的鋼板封閉，長度視巷道高度而定，要求深入巷道底板不得小于400 mm。工字鋼與錨桿同排，支設在2根錨桿中間，間距為900 mm。工字鋼與頂板之間用木楔楔緊。工字鋼后鋪設金屬網。菱形網的長度為1 000 mm，高度視巷道高度而定，高于巷道高度200 mm。金屬網吊掛時長邊垂直巷道，用14號鐵絲將擋矸網與原巷道頂網片連接，聯網時第一片網壓第二片網，搭接部分500 mm，并用鐵絲單排聯接，扣距100 mm，聯網均為雙絲雙扣，每扣扭結不少于3圈，聯網絲采用14號鐵絲，依次是前片網壓后片網，網底部用矸石埋壓牢固，保證擋矸效果。網片與工字鋼之間裱褙背板，錯落布置。工字鋼擋矸布置如圖5所示。

3.4 劇烈變形區及滯后支護

工作面回采過后，在巷道內支設單體柱和鉸接梁對巷道進行支護。鉸接梁的長度為800 mm，順巷布置，布置2排，間距為2 200 mm。兩梁三柱，即一梁兩柱和一梁一柱交替布置。

在穩定區，視巷道穩定情況回撤單體柱，改為一梁一柱或全部回撤，同時可提前對巷道進行臥底，保證下工作面使用。

4 現場應用及效果

4.1 施工工藝

定向預裂爆破切頂卸壓留巷需要在工作面前方對巷道進行加固切頂同時鉆孔爆破，在工作面與巷道連接處加強支護，在工作面后方采取措施擋矸，待巷道穩定后對巷道進行維修，以滿足二次回采的需要。

（1）超前錨索加固。工作面前方50～70 m，對工作面頂板進行錨索加固。

（2）鉆孔爆破。超前工作面35～50 m，滯后4個鉆孔起爆，一次同時起爆3個鉆孔，每天的爆破切頂距離與推進距離相當。

（3）超前支護。在工作面前方超前支承壓力影響范圍內，利用單體柱對工作面進行超前支護，超前支護范圍不得小于20 m。

（4）劇烈變形區支護。工作面割煤后，在支架后方掛雙層金屬網，支設單體和工字鋼配合金屬網，進行擋矸支護。該區域的支護范圍為工作面后方150 m以內。

（5）巷道臥底修。在工作面后方150 m以外，巷道變形穩定后，逐漸將單體柱回撤。對巷道頂板條件差、巷道仍有變形區域，采取加強支護措施。

4.2 切頂效果

工作面前方爆破切頂后，采用窺視儀對切頂情況進行觀測，如圖6所示。

圖6 切頂效果觀測Fig.6 Observation of roof cutting effect

由窺視結果可以看出，鉆孔內形成2條明顯裂隙，平行于工作面推進方向，并且裂縫向上延伸距離較長，取得了理想的切頂效果。

4.3 巷道變形觀測

在1223工作面回采過程中，在工作面前方設置測站，對巷道變形進行觀測。從工作面前方50 m開始，間隔50 m共設置3個測站，其中2號測站的觀測結果如圖7所示。

圖7 巷道變形觀測結果Fig.7 Observation results of roadway deformation

由圖7可以看出，在工作面前方30 m左右，受爆破及工作面回采的影響，巷道頂板首先出現下沉，但下沉速度和下沉量相對較小。在工作面前方10 m范圍內，巷道變形速度明顯加快，實體煤幫幫臌速率和頂板下沉速率均超過10 mm/d。在工作面后方10 m左右，巷道變形速率明顯減小，20 m以外，巷道進入流變狀態，變形速率保持在0.2 mm/d，最終觀測到的頂板下沉量為526 mm，實體煤幫鼓量為285 mm。巷道底臌量為310 mm，經過簡單臥底即可滿足生產要求。

4.4 效益分析

（1）經濟效益。采用沿空留巷技術減少了1條巷道的掘進，取消了區段保護煤柱的留設，留巷成本主要為人工、爆破、加強支護等。經測算，1223沿空留巷長度180 m，產生的經濟效益為650萬元。

（2）社會效益。1223皮帶巷沿空留巷后，作為下工作面回采巷道使用，不僅回收了區段保護煤柱資源，而且有效緩解了礦井采掘接替緊張的局面，社會效益顯著。

5 結 論

（1）通過在采場前方巷道中施工爆破鉆孔，使巷道頂板與工作面頂板產生裂縫，待工作面回采過后，采空區頂板沿裂縫回轉垮落，減少了對巷內支護體的載荷，保持巷道的穩定。

（2）合理的切頂高度應能保證采空區側頂板沿預定裂縫垮落，同時能夠填滿采空區，對未垮落巖層形成一定的支護作用，計算可得1223皮帶巷切頂高度為7.8 m。

（3）1223工作面定向預裂爆破切頂卸壓技術成功實現了沿空留巷，巷道穩定，變形量小，取得了顯著的經濟和社會效益。