曹志強，張浩春

（山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

沿空留巷技術因具有能夠取消區(qū)段煤柱留設，減少礦井巷道掘進工程量，緩解采掘接續(xù)緊張等多種優(yōu)點[1-2]，近年來，在我國煤礦井下開采中得到推廣應用。受工作面地質條件、巖層性質、圍巖應力及支護方式等綜合因素影響，留巷內巷道采空區(qū)側巷道頂板懸頂距離長，頂板斷裂不理想，從而給留巷巷道增加了較大壓力，容易造成留巷巷道圍巖變形量大，在投入使用前需進行大量臥底或擴修[2-4]。因此需采取切頂卸壓的方式將巷道采空區(qū)側頂板切斷，減小采空區(qū)側巷道懸頂寬度，降低留巷巷道頂板壓力，確保留巷達到設計效果。本文以沙坪煤礦9203工作面輔運順槽為工程背景，研究分析了預裂爆破切頂卸壓沿空留巷技術原理并進行現(xiàn)場實施，應用結果表明留巷能夠滿足工作面安全生產需要，留巷效果達到預期要求。

1 概 況

9203工作面位于沙坪煤礦井下9號煤層南翼采區(qū)，9203工作面輔運順槽北部鄰9號煤輔運大巷，南部鄰近井田邊界，西部為設計9202工作面，東部為9203工作面，上覆為8號煤1817采空區(qū)。地面標高+1 012—+1 139 m，煤層底板標高+876.0—+882.2 m，蓋山厚度約為163.5 m。9203工作面輔運順槽回采長度約1 410 m，煤層厚度3.3～5.1 m，結構簡單，煤層夾矸為1層，巖性為炭質泥巖，厚度為0.1～0.2 m。

9203工作面輔運順槽設計長度為1 491 m，留巷段長度約為1 062 m，巷道為矩形斷面，掘進寬度5.6 m，掘進高度3.7 m，掘進斷面積20.72 m2。巷道煤層基本頂以S2粗粒砂巖為主，厚度1.0～13.3 m，平均6.3m，頂板節(jié)理、裂隙較發(fā)育；S2粗粒砂巖厚度為1.0～6.0 m。砂巖抗壓強度為26.7～77.6 MPa，平均為50.4MPa；抗拉強度為1.3～2.3 MPa，平均1.8 MPa，屬中等穩(wěn)定類頂板；直接頂不發(fā)育；偽頂多為泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖，厚度0.20 m左右，一般隨煤層開采而落。直接底為深灰色泥巖，厚度4.7～6.4 m，平均5.5 m；泥巖抗壓強度為16.9～34.7 MPa，平均為25.2 MPa；抗拉強度為0.5～2.2 MPa，平均1.5 MPa，屬松弱類底板。9203輔運順槽煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 9203工作面輔運順槽煤層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive log diagram of auxiliary transport roadway in No.9203 Face

2 預裂爆破切頂卸壓技術原理

切頂卸壓就是在留巷巷道內超前工作面切眼一定距離沿回采側向巷道頂板施工預裂爆破鉆孔，采用雙向聚能管進行預裂爆破，從而在回采側巷道頂板內形成一條預裂切縫，使工作面采空區(qū)頂板與留巷巷道頂板斷開，從而減小或消除采空區(qū)頂板懸頂對留巷巷道頂板的壓力，減小留巷內頂板載荷，使留巷巷道受力狀態(tài)得以改善，提高留巷效果。當預裂爆破位置進入工作面采空區(qū)內后，在采動動壓及巷道圍巖應力等作用下，巷道頂板會沿著切縫垮落，垮落的矸石在巷道采空區(qū)側堆積后形成巷幫，使用充填材料及擋矸裝置對巷道進行充填噴漿封堵密閉后，將留巷與工作面采空區(qū)隔離，從而形成一個獨立的巷道為下一個回采工作面服務。切頂卸壓技術工藝流程如圖2所示。

圖2 切頂卸壓技術工藝流程Fig.2 Process flow of roof cutting and pressure relief technology

3 爆破預裂切頂卸壓方案

3.1 方案設計標準要求

9203工作面輔運順槽支護后，預裂切縫孔布置在工作面?zhèn)龋?203工作面輔運順槽回采側在充填體補強支護的作用下形成一個固定支撐結構，其實煤體側在9202工作面煤柱支撐作用下也能夠形成一個固定支撐結構，即形成兩端固支梁結構，如圖3所示。9203工作面輔運順槽頂板在兩端固定支撐結構作用下極為穩(wěn)定，從而避免了因頂板在一端固定支撐結構作用下出現(xiàn)短臂梁而發(fā)生頂板斷裂事故。9203工作面輔運順槽頂板按照設計的聚能爆破參數(shù)，沿著工作面回采方向施工爆破鉆孔進行超前預裂爆破，相鄰鉆孔爆破后貫通形成切縫線，標準要求為孔成線，縫成面。

圖3 兩端固支梁結構示意Fig.3 Structural diagram of fixed beams at both ends

3.2 預裂爆破孔布置

3.2.1 預裂爆破孔深度

施工預裂爆破孔深度H縫臨界值可用公式（1）計算：

式中：△H1為巷道頂板下沉量，m；△H2為巷道底板底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)，1.3～1.5，取1.3；H煤取3.7 m，△H1、△H2忽略不計，由公式（1）計算可得H縫為15 m。

結合9203工作面輔運順槽頂板巖層結構，輔運順槽沿煤層底板掘進，近水平煤層，留巷長1 062 m，地質剖面數(shù)據(jù)測點為0～6號測點，其中，0～3號測點，0～151.2 m處，8～9號層間距，即S2粗粒砂巖厚度為12.7～13.3 m，煤層厚度3.3～3.7 m；4～6號測點，151.2～1 004 m處，8～9號層間距，即S2粗粒砂巖厚度為3.0～8.0 m，煤層厚度4.5～5.3 m。0～3號地質剖面數(shù)據(jù)測點，切縫孔深度取14.0 m。預裂爆破孔深度必須考慮9203工作面輔運順槽頂板巖層變化。

3.2.2 預裂爆破孔布置

預裂爆破孔沿9203工作面輔運順槽回采側布置，距工作面150 mm，孔間距500 mm，炮眼深度1 4000 mm，傾向回采工作面?zhèn)扰c鉛垂線夾角為15°，如圖4所示。

圖4 預裂切縫孔布置示意Fig.4 Layout of presplitting holes

3.2.3 留巷起始位置切縫孔布置

（1）在留巷作業(yè)開始前，留巷起始位置超前工作面10 m、滯后工作面20 m范圍內按圖4的方式，在9203工作面輔運順槽回采側布置切縫孔。

（2）在留巷起始位置工作面50 m范圍內支架間隙間布置，孔間距3 000 mm，炮眼深度14 000 mm，傾向采空區(qū)側與鉛垂線夾角為30°。

3.3 爆破切頂試驗

在9203工作面進行爆破切頂試驗時，按照設計的方案試驗單孔爆破，在試驗確定好合理爆破裝藥量及爆破孔封泥長度參數(shù)后，再實施連孔裝藥爆破試驗，爆破后觀察爆破孔內巖層內形成的裂縫情況，當未達到設計要求時，需再次進行爆破試驗，直至達到要求為止，以達到爆破設計要求的爆破參數(shù)作為連孔爆破參數(shù)，如圖5所示。

圖5 預裂切縫孔參數(shù)試驗方案Fig.5 Experimental scheme of presplitting holes parameters

3.4 聚能管選擇

爆破聚能管選用新型D型聚能管，其外徑為43 mm，長度為2 m。采用二級煤礦許用乳化炸藥進行爆破，炸藥規(guī)格為φ40 mm×450 mm/卷，采用專用工具在聚能管內進行連續(xù)充填，裝藥后爆破孔采用炮泥封填，裝填聚能管時要將其填送至爆破孔底部，聚能管外端至孔口封滿炮泥并搗實。最終裝藥技術參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場試驗、窺視結果進行確定。

3.5 裝藥結構

采用爆破孔孔底不耦合連續(xù)裝藥方式進行裝藥，聚能管藥卷定向斷裂爆破。炮孔長度14 m，聚能管裝藥總長度10 m，炮泥封孔長度3.6 m。裝藥時依次裝入一卷炸藥（帶同段號16 m腳線電雷管）、10 m裝藥聚能管（尾端帶同段號電雷管）、水沙袋，然后用炮泥封滿孔。

采用可調壓氣動膠槍對聚能管進行裝藥，采用專用連接件將聚能管進行連接并使用專用螺絲進行固定。每節(jié)聚能管安裝1個專用定位塊，確保聚能與預裂方向一致。裝藥結構如圖6所示。電雷連線方式采用串聯(lián)，每次爆破孔數(shù)不超過5孔。

圖6 裝藥結構Fig.6 Charge structure

4 應用效果分析

為及時觀測9203工作面輔助順槽留巷內巷道圍巖變形情況，掌握巷道礦壓規(guī)律，自留巷開始后每間隔30 m設置1個觀測站，采用“十”字觀測法定期對留巷巷道頂?shù)装逦灰屏亢蛢蓭鸵平窟M行觀測，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)整理如圖7所示曲線。

通過圖7變化曲線分析可知，留巷巷道在滯后工作面切眼0～20 m時，巷道圍巖表面位移量較小，巷道處于相對穩(wěn)定狀態(tài)；在滯后工作面切眼20～60 m，巷道圍巖發(fā)生了較大變形，其中頂?shù)装逦灰屏孔畲筮_到460 mm，兩幫移近量達到500 mm；在滯后工作面切眼60 m以后，巷道圍巖變形量逐漸變緩，頂?shù)装逦灰屏繛?80 mm，兩幫移近量為520 mm，在達到100 m后巷道圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時留巷高度3 220 mm，巷寬5 080 mm，留巷巷道斷面積16.35 m2，作為下一個工作面的回風巷，巷道斷面滿足工作面安全生產要求，沿空留巷達到了預期效果。

圖7 留巷巷道圍巖變形曲線Fig.7 Deformation curve of surrounding rock of retaining roadway

5 結 語

沙坪煤礦9203工作面輔助順槽通過采用預裂爆破切頂留巷技術實現(xiàn)了工作面沿空留巷，留巷巷道圍巖變形量在可控范圍內，留巷巷道斷面滿足下一個工作面安全生產要求，留巷效果達到了設計要求，該技術的成功應用，減少了煤巷掘進工程量，緩解了沙坪煤礦接續(xù)緊張局面，提高了煤炭資源回收率，同時為礦井在今后實施沿空留巷積累了寶貴經驗，為其他類似條件下礦井實施切頂卸壓沿空留巷技術提供了參考，具有很好的推廣應用價值。