關崇偉

(大同煤礦集團 晉華宮煤礦， 山西 大同 037000)

目前，采煤工作面區(qū)段巷道布置一般采用沿空掘巷和沿空留巷兩種方式。沿空留巷布置在應力降低區(qū)，有利于控制巷道圍巖變形，但存在通風、采空區(qū)殘煤自燃、積水等問題。為解決這些問題，需要在沿空留巷過程中采取架前鋪設擋矸網、架后壘砌矸石袋、沿空留巷加強支護及整改等措施，增加了工人的勞動強度，提高了巷道維護費用。目前沿空留巷僅用于薄煤層開采。

沿空掘巷分為留大煤柱沿空掘巷和留小煤柱沿空掘巷，留大煤柱沿空掘巷，巷道布置在原巖應力區(qū)，有利于控制巷道圍巖變形，但浪費了煤炭資源。留小煤柱沿空掘巷，巷道布置在應力升高區(qū)，隨著巷道頂板巖層的回轉垮落，圍巖應力狀態(tài)逐漸趨于原巖應力狀態(tài)，這種圍巖穩(wěn)定過程一般需要6個月左右。隨著采煤技術的發(fā)展以及采煤裝備的不斷升級，采煤速度也越來越快，礦井的采掘接替緊張局面也越來越嚴重，不得不提前進行沿空掘巷，這樣巷道圍巖還未趨于穩(wěn)定，巷道處于應力升高區(qū)，巷道變形無法避免。

針對小煤柱沿空掘巷巷道支護難題，大同煤礦集團晉華宮煤礦借鑒中國科學院院士何滿潮先生提出的切頂卸壓無煤柱開采技術原理，以“切頂短臂梁”理論為基礎，對大采高留小煤柱沿空掘巷巷道切頂卸壓支護技術進行研究，提出了以“爆破預裂切頂卸壓+恒阻錨索支護”為主體的技術方案，通過對巷道頂板提前進行爆破預裂切頂卸壓，減少巷道頂板巖層回轉垮落時間，使巷道處于原巖應力區(qū)，同時對沿空掘巷巷道采用恒阻錨索進行加強支護，減小巷道變形。

1 切頂卸壓小煤柱開采原理

工作面回采后，受短臂梁作用，采空區(qū)四周巖層不能及時垮落，形成懸頂，在小煤柱上方的懸頂巖層需要較長時間才能回轉、垮落。

沿空掘巷切頂卸壓技術，是采用雙向聚能爆破預裂切縫技術，在設計的預裂切縫線上施工炮眼至基本頂，采用雙向聚能裝置裝藥，利用巖石抗壓不抗拉的特點，炮孔周圍圍巖在特定方向自由面受壓應力，非特定方向自由面受拉應力，從而在設計的切縫線上形成預裂面[1]，減少懸頂自行回轉、垮落時間，使應力提前釋放，阻止采空側塑性區(qū)域繼續(xù)擴大，切斷應力在頂板上的傳遞，降低小煤柱沿空掘巷的圍巖應力，實現(xiàn)既能切斷頂板又能使頂板壓力減弱達到保護巷道的目的。沿空掘巷切頂卸壓示意圖見圖1.

圖1 沿空掘巷切頂卸壓示意圖

2 工程應用

2.1 工程地質條件

大同煤礦集團晉華宮煤礦12-2#層301擴區(qū)設計為單翼布置盤區(qū)，盤區(qū)共布置3個大采高工作面，12-2#層煤層賦存穩(wěn)定，結構簡單，東部為分叉區(qū)，西部為合并區(qū)。整體呈向斜構造，屬侏羅紀中統(tǒng)大同組含煤地層，煤層走向近北東，傾向北西，煤層傾角 1°～7°，平均4°，煤層厚度5.5～7.5 m，平均6.81 m. 煤層硬度f=3，該區(qū)域無大的含水層發(fā)育，301 擴區(qū)上覆及下伏的含水層富水性弱，隔水層極弱，水文地質條件簡單。煤層最短自然發(fā)火期為85天，絕對瓦斯涌出量為0.6 m3/min，頂、底板巖性特征見表1.

表1 頂、底板巖性特征表

301擴區(qū)8103工作面設計長度為640 m，面長157.5 m，采用一次采全高采煤方法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。8103工作面2101巷擔負12-2#層8103工作面回采時運輸、行人、進風等任務，5103巷擔負8103工作面回采時運料、回風、行人等任務。工作面布置見圖2.

圖2 2101、5103巷道平面布置圖

2.2 技術方案

該礦為保證礦井采掘接替，以往常采用留設30 m煤柱的方式進行沿空掘巷，造成了煤炭資源的浪費，為提高礦井回采率，經過理論計算及數(shù)值模擬，提出了在2101巷進行爆破預裂切頂設計，在5103巷進行恒阻錨索支護設計，留設6 m寬小煤柱沿空掘巷的支護體系。

2.2.1爆破預裂切頂設計

1) 切縫深度的確定。

基本頂作為工作面頂板壓力的傳遞巖梁，是切頂卸壓的主要對象。為減小切頂后巷道懸臂梁的長度，切縫應靠實體煤側布設，同時為使得切縫頂板更容易垮落，切縫采取豎直切縫設計。因此預裂切縫深度(H縫)設計公式如下：

式中：

H煤—工作面采高，m，取平均值6.8；

ΔH1—頂板下沉量，mm；

ΔH2—底鼓量，mm；

K—膨脹系數(shù)，取1.3～1.5.

根據礦井生產實際，膨脹系數(shù)取1.5，在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，經計算，H縫=13.6 m，設計取14 m.

2) 炮孔間距。

根據斷裂力學公式，切頂卸壓爆破的炮孔間距近似為：

式中：

f—巖石普氏系數(shù)，取8；

r0—炮孔半徑，m；取0.025；

K—巖石的斷裂韌度，一般取值為10～15，f越大，K的取值越大，該次設計取12.

經計算，炮孔間距為600 mm.

3) 炮孔裝藥量。

根據礦井生產試驗，雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為 42 mm，內徑為36.5 mm，管長1 500 mm. 聚能爆破采用三級煤礦乳化炸藥，炸藥規(guī)格為d28 mm×200 mm/卷，每孔18卷，爆破孔口采用炮泥封孔，封孔長度不低于2 500 mm[2-3].

2.2.2恒阻錨索支護設計

頂板采用恒阻錨索進行支護設計。恒阻錨索規(guī)格為d21.8 mm，L=8 000 m，采用3-2-3布置方式，間距分別為1 200 mm及1 700 mm，排距為2 000 mm；恒阻器長500 mm，外徑79 mm.

幫部布設2列普通錨索，間排距為1 300 mm×2 400 mm. 其中，上列錨索長6 000 mm，距頂板700 mm布設，與水平夾角為30°，使得錨固端位于頂板之中；下列錨索長4 000 mm，距頂板2 000 mm，垂直巷幫布設；幫部錨索d17.8 mm. 巷道支護示意圖見圖3.

3 工程實踐效果分析

通過對5103巷圍巖觀察記錄分析可知，頂板離層儀淺基點小于20 mm，深基點無變化；頂板錨索測力計無變化，護幫錨索測力計增阻在10 kg；利用十字布點法觀察可知，頂?shù)装逡平啃∮?.1 m，兩幫收縮量小于0.2 m. 小煤柱掘進巷圍巖無較大變化，滿足設計要求。

采用雙向聚能爆破預裂技術，實現(xiàn)預裂的同時又可以保護巷道頂板。利用恒阻大變形錨索對沿空巷道頂板進行加強支護，能使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。該技術節(jié)約了人力和支護的投入，整面減少850萬元巷道維護費用；留設煤柱由30 m減小至6 m，可多回收原煤12.5萬t，按照煤500元/t計算，可增加經濟效益6 250萬元。

圖3 巷道支護示意圖

4 結 語

通過在大同煤礦集團晉華宮煤礦301擴區(qū)2101 巷和5103巷試驗沿空掘巷小煤柱切頂卸壓支護技術，取得了良好的技術經濟效益。由礦壓監(jiān)測數(shù)據顯示，巷道變形量無明顯的變化，確保了沿空巷道頂板的穩(wěn)定，多回收了原煤資源12.5萬t，提高了礦井資源回收率，后期減少了850萬元的巷道維護費用，降低了礦井的噸煤成本。