吳燦華

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

無煤柱開采對(duì)我國的煤炭資源回收有重大的意義，尤其在中厚煤層開采中具有推廣價(jià)值。針對(duì)在堅(jiān)硬頂板中進(jìn)行無煤柱沿空留巷，并從切頂預(yù)裂、擋矸支護(hù)、開采工藝、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等多方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)無煤柱開采具有十分重要的意義。

1 工程概況

同忻煤礦三盤區(qū)南北長1 900 m，東西長3 900 m，可布置10 個(gè)無煤柱開采工作面。首采工作面編號(hào)為8301，走向長1 380 m，傾向長180 m，相鄰工作面編號(hào)為8306，走向長1 780 m，傾向長180 m。煤層底板等高線標(biāo)高為+886～+906 m。山2 號(hào)煤層厚度為1.6～3.3 m，平均2.6 m，煤層傾角1°～5°，平均傾角3°。

山2 號(hào)煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖，薄層狀，水平層理，厚0～1.75 m；直接頂為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖，水平層理，中厚層狀，厚0.26～8.89 m；老頂以含礫粗粒砂巖和細(xì)粒砂巖為主，次為砂礫巖和中粒砂巖，多為K8砂巖，厚層狀，交錯(cuò)層理，膠結(jié)致密，厚1.00～45.36 m，平均18.27 m。含礫粗砂巖，天然狀態(tài)下極限抗壓強(qiáng)度為81.30～92.90 MPa，屬堅(jiān)硬頂板。工作面采用傾向長壁一次采全高綜合機(jī)械化采煤工藝，后退式開采，采用全部垮落法管理頂板。工作面布置見圖1。

圖1 工作面布置

2 切頂預(yù)裂的方案研究

2.1 預(yù)裂孔的設(shè)計(jì)施工方案

三盤區(qū)采煤工作面采用無煤柱連續(xù)回采。首采8301 工作面回采時(shí)沿空保留輔運(yùn)順槽（5301 巷）作為8306 工作面的皮帶順槽（2306 巷）。采用雙向聚能爆破技術(shù)超前預(yù)裂頂板，利用采場周期來壓沿空切頂，控制老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)和下沉變形，實(shí)現(xiàn)卸壓作用。5301 巷道設(shè)計(jì)寬5.2 m，高3.6 m，根據(jù)頂板直接頂?shù)暮穸龋约按_保切入關(guān)鍵層中，并保證切縫深度滿足采空區(qū)的塌落填充高度，形成對(duì)上覆老頂巖梁的支撐結(jié)構(gòu)。

（1）采空區(qū)填充高度H1計(jì)算

式中：Hc為采高，為2.8 m；n 為巖石碎漲系數(shù)，取1.35。

計(jì)算可得H1=8.0 m。

（2）根據(jù)110 工法規(guī)范公式計(jì)算裂縫高度Hf。

Hf=2.6Hc，計(jì)算可得Hf=7.28 m。

結(jié)合不同區(qū)域的直接頂厚度，分段選擇切縫高度。開切眼至外600 m 直接頂平均厚度為9 m 左右；為確保切縫效果，該區(qū)域選擇切縫高度選擇9.0 m，切縫孔與鉛錘線夾角為15°，切縫孔深度為9.3 m。600 m 至停采線直接頂平均厚度為8 m 左右，該區(qū)域選擇切縫高度選擇8.0 m，切縫孔深度為8.3 m。

2.2 聚能材料的選用

選取3 種聚能材料進(jìn)行了試驗(yàn)分析。第一種是雙向打孔圓形聚能管，外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，管長1 500 mm。第二種是W型聚能管，外徑29 mm，內(nèi)徑20 mm，管長1 500 mm。第三種是D型聚能管，外徑40 mm，內(nèi)徑35 mm，管長1 500 mm。

（1）雙向打孔圓形聚能管采用三級(jí)乳化炸藥，每卷炸藥尺寸為Φ35 mm×300 mm，每卷炸藥300 g，每個(gè)孔安裝5 根聚能管，裝藥結(jié)構(gòu)為4+3+3+3+3，封土1.8 m。經(jīng)過窺視可見非常明顯的對(duì)稱裂縫，切頂預(yù)裂窺視見圖2。內(nèi)，每個(gè)孔安裝5 根聚能管，全管內(nèi)擠滿炸藥。封土1.8 m。經(jīng)過窺視可見輕微不連續(xù)裂縫，切頂預(yù)裂窺視見圖3。

圖2 雙向打孔圓形聚能管切頂預(yù)裂效果窺視圖

圖3 W 型聚能管切頂預(yù)裂效果窺視圖

（3）D型聚能管試驗(yàn)，安裝炸藥量和方式與雙向打孔圓形聚能管一致，經(jīng)過窺視，可見較細(xì)的裂縫，切頂預(yù)裂窺視見圖4。

圖4 D 型聚能管切頂預(yù)裂效果窺視圖

通過效果對(duì)比和施工的方便程度，選擇了雙向打孔圓形聚能管。

2.3 爆破效果試驗(yàn)

根據(jù)上述選定的聚能管，實(shí)驗(yàn)了3 種裝藥結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了窺視分析。第一種是安裝5 根聚能管，采用4+3+3+3+3 裝藥結(jié)構(gòu)，采用炮泥機(jī)制土封孔1.8 m。根據(jù)窺視可看出，切縫對(duì)稱連續(xù)，孔底巖石沒有破碎，孔口爆坑比較嚴(yán)重，并且根據(jù)收集的尾懸板塌落資料，可見沿空留巷尾三角區(qū)懸板一般在20 m 左右。

第二種是安裝4 根半聚能管，采用5+4+3+3+2裝藥結(jié)構(gòu)，采用炮泥機(jī)制土封孔2.6 m。根據(jù)窺視可看出，切縫對(duì)稱連續(xù)，孔底巖石比較破碎，部分鉆孔在中部已經(jīng)變形、破碎，孔口存在爆坑，并且根據(jù)收集的尾懸板塌落資料，可見沿空留巷尾三角區(qū)懸板一般在13 m 左右。

第三種是安裝4 根半聚能管，采用5+4+3+3+1裝藥結(jié)構(gòu)，采用炮泥機(jī)制土封孔2.6 m。根據(jù)窺視可看出，切縫對(duì)稱連續(xù)，孔底巖石比較破碎，部分鉆孔在中部已經(jīng)變形、破碎，孔口基本無爆坑，部分炮孔的封孔還完好，并且根據(jù)收集的尾懸板塌落資料，可見沿空留巷尾三角區(qū)懸板一般在12 m 左右。

通過實(shí)驗(yàn)分析，并考慮到孔口爆坑少，能有效避免對(duì)巷道原有支護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的破壞，選取了第三種爆破方案，安裝4 根半聚能管，采用5+4+3+3+1裝藥結(jié)構(gòu)，采用炮泥機(jī)制土封孔2.6 m，進(jìn)行預(yù)裂爆破。

3 無煤柱沿空留巷支護(hù)方案

3.1 巷道的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

（1）補(bǔ)強(qiáng)錨索長度計(jì)算

為保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩(wěn)定性，在對(duì)巷道頂板進(jìn)行切頂前采用錨索補(bǔ)強(qiáng)加固。其中補(bǔ)強(qiáng)錨索長度計(jì)算可根據(jù)110 工法規(guī)范公式計(jì)算：

式中：Lh為補(bǔ)強(qiáng)錨索長度，m；Hf為切縫深度，m；Hf=2.6Hc，Hc為工作面采高。

即恒阻錨索長度通常比切縫高度長2 m，以采高2.8 m 計(jì)算，那么補(bǔ)強(qiáng)錨索的長度為9.28 m，根據(jù)資料可以確定直接頂最厚為8.89 m，錨索長度選擇10.3 m 符合設(shè)計(jì)要求。

（2）錨索間排距設(shè)計(jì)

單位面積內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)錨索的數(shù)量計(jì)算

式中：Pn為單位面積內(nèi)頂板壓力，kN；P0為補(bǔ)強(qiáng)錨索恒阻值，kN，取252 kN；K 為安全系數(shù)，取1.1～1.3，取1.3。

經(jīng)過計(jì)算，每平方米需要1.13 根Φ21.8 錨索，設(shè)計(jì)中在原支護(hù)基礎(chǔ)上共布設(shè)2 列，采用“三花型”布置。第一列錨索距8301 工作面?zhèn)?50 mm，排距1 500 mm；第二排距第一列1 150 mm 為補(bǔ)打，排距3 000 mm，符合上述計(jì)算要求。

為了增加采空側(cè)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的完整性，在靠近煤壁側(cè)一列補(bǔ)強(qiáng)錨索上沿著巷道走向添加3.4 m鋼帶提高整體支護(hù)性能。沿空留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)錨索長度為10.3 m，按照錨索2%的延展率，錨索自身延展長度可以達(dá)200 mm，完全能滿足頂板下沉變形量。通過頂?shù)装逡平拷y(tǒng)計(jì)分析，沿空留巷頂?shù)装逡平吭?～125 mm 范圍內(nèi)，故取消原設(shè)計(jì)中的恒阻器，可以節(jié)約40.4 萬元。

3.2 擋矸支護(hù)

開采初期5301 巷架后擋矸支護(hù)，按照設(shè)計(jì)利用29U型鋼和單體液壓支柱間隔支設(shè)，U型鋼和單體間距為0.25 m，在采空區(qū)初次垮塌后，發(fā)現(xiàn)有較大的矸石對(duì)U型鋼和單體支柱沖擊，造成U型鋼和單體變形，單體損壞率達(dá)40%，并且很多U型鋼的上部被采空區(qū)塌落的矸石擠出，影響了巷道的有效斷面，未能起到有效的擋矸支護(hù)。

為此進(jìn)行了多次改進(jìn)，最終采取了將擋矸單體液壓支柱和U型鋼并排支設(shè)，間距0.5 m，將U型鋼凹面向巷道，利用0.8 m 長的π型梁垂直巷道布置，π型梁卡在U型鋼的凹面內(nèi)，頂住U型鋼，經(jīng)過試驗(yàn)，擋矸效果非常明顯，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)單體的損壞率下降到了2%以內(nèi)。改進(jìn)后的擋矸支護(hù)見圖5。

圖5 改進(jìn)后的擋矸支護(hù)

通過多次的改進(jìn)，在擋矸支護(hù)方面取得了很好的效果，有效的擋住采空區(qū)矸石，保障了巷道的斷面要求，并且單體的損壞率從40%減少到3%以內(nèi)，該項(xiàng)改進(jìn)能節(jié)約單體費(fèi)用53.2 萬元。

3.3 沿空留巷頂板支護(hù)

5301 巷沿空留巷頂板支護(hù)，采用單體液壓支柱配π型梁的支護(hù)方式，沿走向支設(shè)5 列單體液壓支柱，排距為1.0 m，配合使用0.8 m 長的π型梁，一梁一柱支護(hù)頂板，支設(shè)長度不少于200 m。

第一列單體液壓支柱距煤壁0.7 m；為了方便回撤穩(wěn)定區(qū)的單體支柱，能通過人力推車運(yùn)輸單體，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，將第二列單體液壓支柱與第一列單體液壓支柱間距由原設(shè)計(jì)的0.8 m 調(diào)整到1.7 m；第三列單體液壓支柱與第二列間距為0.9 m，第四列柱單體液壓支柱與第三列間距為0.8 m；第五列為切頂留巷擋矸側(cè)單體液壓支柱，柱距0.5 m，距29U型鋼0.4 m，配合使用0.8 m 長的π型梁?？拷煽諈^(qū)需要加密單體支護(hù)，并且沿空留巷至少保證200 m 的滯后支護(hù)，工作面開采推過200 m 后，就可以隨采隨回撤工作面采空區(qū)側(cè)200 m 以外沿空留巷的單體。同時(shí)，在相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)保留巷道靠近采空區(qū)一側(cè)的一排單體，能有效減少頂板的下沉量。在回撤單體時(shí)按20～30 m 間距留設(shè)2 根單體作為壓力觀測單體柱，以便隨時(shí)掌握沿空留巷頂板壓力變化情況，見圖6。

圖6 沿空留巷頂板支護(hù)

沿空留巷的頂板支護(hù)有效地利用了采空區(qū)的穩(wěn)定區(qū)，盡可能增加了單體的重復(fù)使用率，在留設(shè)的單體監(jiān)測頂板壓力數(shù)據(jù)穩(wěn)定后才回撤單體，對(duì)8301 面的沿空留巷頂板起到了積極的主動(dòng)支護(hù)，沒有出現(xiàn)頂板下沉嚴(yán)重的情況，有效保證了巷道高度。

4 無煤柱開采工藝試驗(yàn)

4.1 無煤柱的開采設(shè)備布置要求

無煤柱開采和常規(guī)綜采工作面設(shè)備布置不一樣。沿空留巷側(cè)不能設(shè)置端頭支架，以免損壞沿空留巷的支護(hù)，并且皮帶運(yùn)輸順槽只能布置在開采工作面的非沿空留巷順槽，避免了切頂預(yù)裂爆破對(duì)設(shè)備的影響。

在第二個(gè)工作面設(shè)備布置時(shí)，由于上一個(gè)面的沿空留巷部分巷道寬度不足，需要將設(shè)備列車布置在運(yùn)輸順槽中，電纜的布置需要穿過工作面電纜槽到皮帶順槽給轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)供電，可以采用設(shè)備列車加電纜拖車的方式解決輔運(yùn)順槽的電纜吊掛和移動(dòng)問題。

4.2 開采的管理要求

由于三盤區(qū)煤層走向是北部高南部低，所有工作面普遍為皮帶順槽高，輔運(yùn)順槽低，開采過程中工作面設(shè)備容易向輔運(yùn)順槽滑動(dòng)。在開采過程中需要特別注意刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾的動(dòng)向，以及支架的橫向位移動(dòng)向，可以采用人工調(diào)斜的方式，將工作面尾部超前工作面頭部割煤5 m 左右，杜絕工作面設(shè)備向輔運(yùn)順槽移動(dòng)。該盤區(qū)屬于整個(gè)盤區(qū)連續(xù)無煤柱開采時(shí)，在開采第二個(gè)無煤柱工作面面時(shí)，對(duì)沿空留巷的采空區(qū)進(jìn)行噴漿封堵，減少漏風(fēng)和隔絕有害氣體。

4.3 超前支護(hù)管理要求

由于5301 巷進(jìn)行了超前切頂預(yù)裂，5301 巷超前壓力非常小，可以減少一列超前支護(hù)單體，減少單體投入和人工勞動(dòng)強(qiáng)度。開采接替面時(shí)在進(jìn)入上一個(gè)工作面的沿空留巷前50 m 至超過上一個(gè)工作面開切眼20 m 內(nèi)，皮帶順槽的超前壓力比較集中，需要加強(qiáng)皮帶順槽的超前支護(hù)，可以采用一梁三柱支護(hù)，柱距需要適當(dāng)減少，同時(shí)加快開采速度，快速通過該區(qū)域。

5 結(jié)論

1）針對(duì)綜采工作面堅(jiān)硬頂板切頂預(yù)裂爆破，可通過在預(yù)裂孔底部增加一到兩卷炸藥量，孔口適當(dāng)減少一到三卷炸藥量，過硐室時(shí)少裝一根聚能管，能有效的確保預(yù)裂孔頂部有一定的破碎程度，減少孔口的爆坑，避免了對(duì)沿空留巷巷道原有支護(hù)的影響，5301 巷支架后方采空區(qū)三角懸板從走向長改進(jìn)前的20 m 減少到10 m 左右，有時(shí)能減少到5 m以內(nèi)，對(duì)沿空留巷的三角懸板起到非常好的控制作用。

2）綜采工作面堅(jiān)硬頂板沿空留巷支護(hù)方面，開采8301 工作面就可在直接材料費(fèi)方面減少93.6 萬元。而且為備采面創(chuàng)造了良好的條件，同時(shí)減輕了工人大量的勞動(dòng)強(qiáng)度，通過8301、8306 工作面開采效果非常好，沿空留巷的頂板下沉量在0～125 mm，完全在可控范圍。

3）由于8301 工作面的5301 巷比2301 巷平均高4 m，局部高8 m，在開采工藝方面采用人工調(diào)斜方式，5301 巷推進(jìn)要比2301 巷推進(jìn)超前5 m 左右，同時(shí)要調(diào)整拉架順序，能有效控制工作面刮板輸送機(jī)和支架的動(dòng)向，可控制工作面的平直開采。