崔小歡

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交，030205）

沿空留巷技術(shù)在煤礦開采中有效提高了煤炭資源的回采率，具有降低工作面上隅角瓦斯積聚，緩解采掘接續(xù)緊張等技術(shù)優(yōu)勢。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、支護(hù)技術(shù)、填充材料等方面均進(jìn)行大量的理論研究和現(xiàn)場實(shí)踐[1-3]。近幾年，淮南礦業(yè)集團(tuán)為了解決低透氣性煤層群瓦斯治理難題，在學(xué)習(xí)、引進(jìn)、消化德國沿空留巷技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了機(jī)械模板充填混凝土沿空留巷技術(shù)。該技術(shù)在一定程度上解決了煤礦井下現(xiàn)澆混凝土支模難題，目前主要在一些回采推進(jìn)度較慢的薄煤層和中厚煤層中應(yīng)用。

1 工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)機(jī)理

一般工作面頂板斷裂有兩種形式[4-5]：

（1）頂板在煤柱上方斷裂，見圖1。如果頂板斷裂位置在煤柱上方，則煤柱作為巖梁一端的承載基，必然受力集中，煤柱塑性區(qū)范圍大，留設(shè)煤柱尺寸也就相應(yīng)的大，浪費(fèi)煤炭資源。

（2）頂板在采空區(qū)上方斷裂，見圖2。當(dāng)頂板斷裂線位于采空區(qū)上方，則煤柱上方頂板為一懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁受力完全作用在煤柱上，同樣煤柱塑性區(qū)范圍大，需要留設(shè)較大的煤柱。

圖1 頂板斷裂位于煤柱上方

圖2 頂板斷裂位于采空區(qū)上方

采用聚能穴定向爆破對(duì)頂板側(cè)向切斷的辦法可以減小煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。如圖2所示，將頂板沿巷道上方切斷，避免左右兩側(cè)巖梁的“拉扯”作用而造成的煤柱應(yīng)力集中，可以減小煤柱尺寸留設(shè)。此外，由于頂板切斷，應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移程度減小，下一個(gè)工作面的順槽巷道幫鼓和底鼓現(xiàn)象也會(huì)有所緩和。

2 工作面概況

馬蘭礦南五下組煤采區(qū)18504工作面開采石炭系太原組8號(hào)煤層，煤層厚度4.00～4.68 m，平均4.53 m，平均傾角為6°，結(jié)構(gòu)簡單—復(fù)雜，含夾矸0～3層，屬穩(wěn)定可采煤層。頂板為泥灰?guī)r、粉砂巖。

工作面采用走向長壁采煤法，綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。該工作面主要采用雙滾筒采煤機(jī)割煤、裝煤、自行斜切進(jìn)刀，割煤高度2800 mm±100 mm，截深0.8 m；工作面前后各安裝一部刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤。工作面開口位于南五下組煤輔助運(yùn)輸下山，西北側(cè)為18310采空區(qū)，東南側(cè)為18506工作面。其相鄰南三下組煤采區(qū)開采，在留設(shè)90 m護(hù)巷煤柱的情況下其輔助運(yùn)輸下山仍出現(xiàn)大的變形，底板累計(jì)鼓起1.5 m，巷道經(jīng)過多次維修投入了大量的人力物力，嚴(yán)重制約著采區(qū)高效生產(chǎn)。

3 工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)應(yīng)用

3.1 超前切頂卸壓爆破孔參數(shù)

（1）布孔方式

沿巷道走向靠回采側(cè)肩角布一排平行孔，炮孔直徑Φ=75 mm，炮孔傾角β=75°，見圖3。

（2）炮孔長度計(jì)算[6-7]

a、切頂高度計(jì)算

為使綜放工作面頂板垮落矸石充滿采空區(qū)，降低沿空留巷動(dòng)壓，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，確定煤層頂板以上4倍采高范圍內(nèi)的巖層屬于需要弱化巖層，切頂高度計(jì)算如下：

式中:MZ為切頂高度，m；H為工作面割煤高度，取3 m；T為工作面頂煤厚度，取2.47 m；SA為工作面老頂位于下部巖體的沉降值，一般取0.2H，m；C為殘煤厚度，m；KA為處于冒落帶巖體的碎脹系數(shù)，取1.4；η為放出率，取0.7；Km為頂煤垮落后的碎脹系數(shù)，取1.2。

經(jīng)計(jì)算得：MZ=12.05 m。

b、炮孔長度計(jì)算

按照對(duì)切頂高度的計(jì)算可知，隨著巖石的碎脹作用，采空區(qū)完全被工作面上方煤體與頂板矸石充滿，其高度值為12.05 m，因此，其主要解決的區(qū)域?yàn)轫敯迳喜?3 m范圍的巖體，從而可以確定炮孔長度L。

經(jīng)計(jì)算得：L=13.2 m?？紤]到施工便利性，取炮孔長度L為14 m，初期進(jìn)行試驗(yàn)，然后經(jīng)過試驗(yàn)逐步將其參數(shù)設(shè)計(jì)至最優(yōu)。

圖3 超前預(yù)裂爆破布孔參數(shù)

（3）炮孔間距計(jì)算[8-9]

a、按應(yīng)力波疊加作用計(jì)算（采用不耦合裝藥）。

式中：a為炮孔間距，m；σt為巖石的抗拉強(qiáng)度，此處取3.69 MPa；p2為炮孔壁初始?jí)毫Ψ逯?，MPa；p0炸藥密度，t/m3；D 爆速，m/s；n 為壓力增大倍數(shù)，此處n=10；b為側(cè)應(yīng)力系數(shù)，此處33；α為應(yīng)力波峰值在巖體內(nèi)的衰減指數(shù)，此處a=2-b=1.67；rb為爆破影響范圍，m，dc為錨桿長度，m，db為錨固長度，m。

a1=2（0.33×1280/3.69）1/1.67×2.1×10-2=1.758 m。

b、按應(yīng)力波與爆生氣體準(zhǔn)靜壓共同作用計(jì)算。

在炮孔的密閉空間內(nèi)，其應(yīng)力波和爆生氣體的共同作用下，使得孔壁發(fā)生變形，該種狀態(tài)的力學(xué)模型為厚壁圓筒受到內(nèi)壓作用下應(yīng)力模型，可以根據(jù)彈塑性理論中的巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則和厚壁圓筒理論，得出：

式中：p0作用于炮孔壁的準(zhǔn)靜態(tài)壓力。

當(dāng)采用柱狀不耦合裝藥時(shí)，有：

因此，炮孔間距為a=a1+a2=1.758+0.42=2.178 m，同時(shí)考慮到炮孔壁初始?jí)毫Ψ逯岛妥饔糜谂诳妆诘臏?zhǔn)靜態(tài)壓力都比巖體本身的抗壓強(qiáng)度要大得多，所以會(huì)出現(xiàn)能量損失，所以炮孔間距實(shí)際取1.5 m最為合適。

3.2 裝藥參數(shù)

采用孔底不耦合連續(xù)裝藥，裝藥長度8 m。單孔裝藥量為：

式中：q為每米裝藥量，kg/m，此處q=2.8125 kg/m；l為裝藥長度,m。

Q=q×l=2.8125×8=22.5 kg（90卷）

3.3 切頂卸壓柔?；炷裂乜樟粝锸┕げ襟E

根據(jù)以上切頂卸壓爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，沿空留巷采用機(jī)械化施工，施工步驟如下：

（1）在綜采工作面前方50 m的范圍以外，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的預(yù)裂鉆孔，提前施工；

（2）根據(jù)綜采工作面的開采方式與方向，在綜采工作面前方30～50 m之間依次進(jìn)行預(yù)裂爆破，使得在工作面前方形成切頂缷壓預(yù)裂切縫線；

（3）超前工作面0～30 m，按設(shè)計(jì)位置布置巷內(nèi)臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)；

（4）當(dāng)綜采工作面完全開采完畢后，對(duì)采空區(qū)內(nèi)矸石沿著切縫線使用檔矸支架進(jìn)行處理，待檢修班澆筑柔?；炷翂w隔絕采空區(qū)，這樣有效保證巷道支護(hù)效果佳。

4 沿空留巷經(jīng)濟(jì)效益分析

1）節(jié)省區(qū)段煤柱效益：18504工作面回采推進(jìn)長度1848 m，煤層平均厚度5.53 m，頂煤回收率按85%計(jì)算，密度1.4 t/m3，煤柱25 m，采用沿空留巷以后，共計(jì)多回收煤炭資源249 kt，噸煤利稅按照200元計(jì)算，回收煤柱創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益4981萬元。

2）少掘巷效益：18504工作面可以少掘進(jìn)少掘巷道1985 m （軌道順槽繞道37 m），巷掘進(jìn)綜合費(fèi)用8000元/m，掘巷總費(fèi)用為1588萬元，即少掘巷就可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益1588萬元。

3） 沿空留巷工程費(fèi)用： 沿空留巷長度為1860 m，留巷工程費(fèi)用為5446.52元/m，則該工作面所需的沿空留巷費(fèi)用為1013萬元。

沿空留巷前期一次性投資為557萬元。綜上所述，18504工作面沿空留巷初步預(yù)計(jì)可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益6038萬元。

5 結(jié)語

1）采用沿空留巷技術(shù)以后，首先取消或回收了相鄰工作面間的護(hù)巷煤柱，實(shí)現(xiàn)無煤柱開采；沿空保留回撤通道，作為回收盤區(qū)大巷煤柱的回采巷道，最終實(shí)現(xiàn)盤區(qū)內(nèi)無煤柱開采；最大限度地開發(fā)和利用了有限的資源，有助于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

2）工作面切頂卸壓柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化施工，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率，有利于礦井高效生產(chǎn)。