張弘弦

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全生產(chǎn)指揮中心，山西 大同 037000）

0 引言

我國大部分煤礦所采用的煤柱留設(shè)式的工作面開采方法對本就緊缺的煤炭資源造成浪費(fèi)，煤柱大量留設(shè)使工作面的資源回收率降低[1-2]。沿空留巷技術(shù)可以做到工作面無煤柱開采，不僅避免煤柱留設(shè)造成的資源浪費(fèi)，還能夠減少巷道掘進(jìn)的工程量，有利于礦井工作面接替部署，是煤礦企業(yè)安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。沿空留巷開采技術(shù)的重點(diǎn)是如何避免采空區(qū)頂板應(yīng)力傳遞造成留設(shè)巷道應(yīng)力集中，從而出現(xiàn)巷道圍巖大量變形破碎，容易出現(xiàn)冒頂、片幫等安全事故，導(dǎo)致留設(shè)巷道無法正常使用?；诖耍岢銮许斝秹杭夹g(shù)，對頂板進(jìn)行預(yù)裂，將采空區(qū)與留設(shè)巷道頂板的應(yīng)力傳播路徑切斷，可以有效避免采空區(qū)應(yīng)力對留設(shè)巷道圍巖造成影響[3-4]。

同忻煤礦根據(jù)三盤區(qū)8206工作面的地質(zhì)條件應(yīng)用沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，經(jīng)過不斷優(yōu)化頂板預(yù)裂爆破參數(shù)，得到最為合理的爆破方式，8206工作面裂頂卸壓后，對留設(shè)巷道進(jìn)行了分段圍巖變形監(jiān)測，證明留設(shè)巷道圍巖變形情況得到了有效控制，能夠滿足工作面回采的需求。

1 工作面概況

同忻煤礦三盤區(qū)8206工作面沿空留巷布置如圖1所示，8206工作面走向長度為691.4 m，傾向長度為293.5 m，該工作面下方與8207工作面相鄰，回采至8207工作面設(shè)計(jì)切眼位置時進(jìn)行沿空留巷，留巷長度為437 m，巷寬4.4 m，巷高3.6 m。

圖1 8206工作面沿空留巷布置平面圖

工作面主采山西組2號煤層，工作面標(biāo)高888～908 m，煤層傾角1°～4°，平均傾角3°，煤厚2.1～3 m，平均煤厚2.68 m，煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。老頂巖性為中粗砂巖，平均厚5.5 m，直接頂巖性為細(xì)砂巖，平均厚9.5 m，煤層與直接頂之間夾有一層0.52 m厚的泥巖偽頂，直接底巖性為粉細(xì)砂巖，平均厚0.98 m，8206工作面頂?shù)装鍘r性描述詳情見表1。

表1 8206工作面頂?shù)装鍘r性

2 切頂卸壓原理及效果分析

切頂卸壓對沿空留巷沿采空區(qū)側(cè)的頂板進(jìn)行爆破預(yù)裂，按照計(jì)算的爆破參數(shù)將頂板按照設(shè)計(jì)切斷，消除沿空留巷的懸頂現(xiàn)象，改善留設(shè)巷道圍巖的力學(xué)環(huán)境，避免采空區(qū)應(yīng)力傳遞到留巷區(qū)域?qū)α粝飮鷰r造成影響[6-8]，沿空留巷懸頂現(xiàn)象如圖2所示，沿空留巷切頂卸壓效果如圖3所示。

圖2 沿空留巷懸頂示意圖

圖3 切頂卸壓效果示意圖

2.1 爆破方案設(shè)計(jì)

爆破使用煤礦專用乳化炸藥、毫秒級延時雷管、礦用導(dǎo)爆索以及聚能管。首先對8206工作面頂板進(jìn)行取芯分析，確定預(yù)裂爆破鉆孔角度為75°，孔徑為50 mm，孔深為11 m，封孔長度為5 m，孔間距600 mm，裝藥量為450 g/m，頂板預(yù)裂長度為6 m。裝藥方式為孔底不耦合使連續(xù)裝藥，爆破方式為聚能定向爆破[5]。預(yù)裂爆破鉆孔布置如圖4所示，炸藥布置如圖5所示。

圖4 預(yù)裂爆破鉆孔布置圖

圖5 預(yù)裂爆破鉆孔炸藥布置圖

2.2 爆破效果分析

切板爆破是否有效可通過觀察孔壁裂縫分布、裂縫長短進(jìn)行判別，工作面頂板預(yù)裂爆破供采空鉆孔窺視儀對孔壁進(jìn)行觀察，如圖6所示，孔壁上裂縫較少切分布不均，沒有方向連續(xù)性，而且裂縫長度較短，在孔深12 m處出現(xiàn)了塌孔現(xiàn)象，本次爆破效果不夠理想，無法滿足切頂卸壓的需求，需進(jìn)行改進(jìn)。

圖6 孔內(nèi)窺視效果圖

3 切頂卸壓爆破方案優(yōu)化

3.1 爆破參數(shù)優(yōu)化

由于初次爆破預(yù)裂效果較差，因此對工作面頂板進(jìn)行打鉆取芯，確定工作面現(xiàn)場地質(zhì)條件，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場地質(zhì)條件與地質(zhì)資料不符，根據(jù)工作面實(shí)際地質(zhì)條件優(yōu)化切頂卸壓爆破參數(shù)。

1）切頂高度。為保證切頂爆破后，垮落頂板能夠順利落下形成留巷巷幫，切頂高度可通過公式（1）計(jì)算得出：

式中：Mz為切頂高度，m；H為工作面割煤高度，8206工作面為3.2 m；T為頂煤厚度，8206工作面為2.6 m；SA為煤層老頂下位巖梁見矸處的沉降值，取值為0.2H，8206工作面為0.64；C為殘煤厚度，m。其中殘煤厚度C可根據(jù)公式（2）計(jì)算得出：

式中：η為煤炭放出率，8206工作面為0.85；T為頂煤厚度，8206工作面為2.6 m；Km為頂煤垮落后的膨脹系數(shù)，8206工作面為1.1?？筛鶕?jù)公式（2）計(jì)算得到殘煤厚度為0.429 m，根據(jù)公式（1）計(jì)算得到切頂高度為18.9 m。

2）爆破孔長度。已知切頂高度為18.9 m，結(jié)合現(xiàn)場取芯情況以及爆破經(jīng)驗(yàn)，確定爆破孔長度為16m。

最終切頂卸壓爆破方案參數(shù)確定為預(yù)裂爆破鉆孔角度為75°，孔徑為50 mm，孔深為16 m，裝藥長度為4 m，封孔長度為5 m，孔間距600 mm，裝藥量為450 g/m。圖7為爆破方案優(yōu)化后的裝藥示意圖。

圖7 爆破方案優(yōu)化后的裝藥示意圖

3.2 優(yōu)化后爆破效果分析

爆破參數(shù)優(yōu)化后對爆破孔進(jìn)行孔壁窺視，如圖8所示。較之未優(yōu)化前的爆破效果，優(yōu)化后的爆破效果顯著提高，圖8中可以看到爆破孔孔壁上明顯可見裂縫縱向延伸，裂縫長度超過了裝藥長度的60%，且爆破孔內(nèi)部裂縫沿縱向分布，將鉆孔沿縱向切開，爆破效果達(dá)到預(yù)期，能夠滿足切頂卸壓技術(shù)的要求。

圖8 優(yōu)化后炮孔窺視效果

4 留巷后圍巖變形監(jiān)測分析

留巷結(jié)束后，根據(jù)現(xiàn)場情況將留設(shè)巷道分成前中后3個區(qū)域進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測，分析巷道的礦壓顯現(xiàn)情況。

4.1 巷道前區(qū)監(jiān)測分析

0-140 m為沿空留巷前區(qū)范圍，該區(qū)域自留巷結(jié)束后圍巖變形情況基本無變化，較為穩(wěn)定。前區(qū)圍巖變形曲線如圖9所示，根據(jù)1號監(jiān)測站記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在工作面75 m回采范圍內(nèi)，巷道頂板下沉量在50 mm之內(nèi)，75-120 m范圍內(nèi)，頂板下沉量逐漸增加，達(dá)到了100 mm，頂板在總體上呈緩慢下沉狀態(tài)，且下沉量較小，比較穩(wěn)定；在工作面100 m回采范圍內(nèi)，底板鼓起量在100 mm之內(nèi)，回采100 m以后，底板鼓起量突然增加，達(dá)到了150 mm，然后趨于穩(wěn)定；留設(shè)巷道兩幫變形量基本都在50 mm范圍之內(nèi)，穩(wěn)定程度較高。留設(shè)巷道前區(qū)范圍內(nèi)，圍巖變形量較小，巷道穩(wěn)定性能夠滿足使用需求。

圖9 留巷前區(qū)圍巖變形監(jiān)測曲線

4.2 巷道中區(qū)監(jiān)測分析

根據(jù)3號監(jiān)測站記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，巷道中區(qū)礦壓顯現(xiàn)較為明顯，巷道圍巖變形量較大。見圖10。

圖10 留巷前區(qū)圍巖變形監(jiān)測曲線

由圖10可知：在工作面63-70 m回采范圍內(nèi)巷道頂板最大下沉量為100 mm，工作面回采至93 m處時，巷道頂板最大下沉量為200 mm，工作面回采至181 m處時，巷道頂板最大下沉量為450 mm，然后趨于穩(wěn)定，下沉量不在變化。工作面63 m回采范圍內(nèi)，底板最大鼓起量為50 mm之內(nèi)，基本無變化，工作面回采至93 m處時，底板最大鼓起量為150 mm，工作面回采至181 m時，底板最大鼓起量為320 mm，然后底板趨于穩(wěn)定，變化不大。墻體側(cè)巷幫在回采過程中較為穩(wěn)定，僅在工作面回采至63 m以后出現(xiàn)了50 mm左右的變形。煤體側(cè)巷幫在工作面30 m回采范圍內(nèi)較為穩(wěn)定，受工作面采動影響，頂板壓力顯現(xiàn)，巷幫變形量逐漸增加，工作面63-70 m回采范圍內(nèi)，巷幫最大變形量為120 mm，工作面回采至93 m處時，巷幫變形嚴(yán)重，最大變形量達(dá)到710 mm，直至工作面回采至216 m以后才趨于穩(wěn)定，不在變化。通過分析得知：煤體側(cè)巷幫變形嚴(yán)重是由于工作面在回采過程中，煤體上覆巖層來壓，煤體側(cè)巷幫位于高應(yīng)力區(qū)域，且煤層硬度不足，在承壓狀態(tài)下煤體破碎，導(dǎo)致巷幫變形量變大。

4.3 巷道后區(qū)監(jiān)測分析

留設(shè)巷道后區(qū)整體基本無變化，平均巷高3.3 m，平均巷寬為4.2 m，巷道圍巖變形量基本都在50 mm范圍之內(nèi)，完全可以滿足巷道使用需求。

5 結(jié)語

沿空留巷無煤柱開采技術(shù)的關(guān)鍵是切頂卸壓技術(shù)，切頂卸壓可以有效降低沿空留巷圍巖應(yīng)力集中的現(xiàn)象，保證留巷圍巖不會出現(xiàn)大量變形影響使用。切頂卸壓技術(shù)的關(guān)鍵是爆破預(yù)裂參數(shù)的科學(xué)合理，科學(xué)有效地爆破參數(shù)能夠避免對沿空留巷頂板造成破壞，從而影響到留巷底板錨索的受力結(jié)構(gòu)，保證爆破裂頂?shù)男Ч?，使采空區(qū)頂板垮落高度達(dá)到設(shè)計(jì)要求形成新的巷幫，實(shí)現(xiàn)快速成巷的目的。

根據(jù)工作面現(xiàn)場頂板的取芯情況，結(jié)合以往的爆破經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化預(yù)裂切頂?shù)谋品桨竻?shù)，爆破后切頂卸壓效果良好。通過對沿空留巷圍巖進(jìn)行變形監(jiān)測及分析，發(fā)現(xiàn)留設(shè)巷道沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)場，巷道圍巖變形量得到控制，應(yīng)用效果顯著。