劉建浩，高 彬，賀雁鵬

(1.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719316；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

我國(guó)西部擁有大量的淺埋深的煤炭資源，神府-東勝煤田為迄今世界第一大煤田，儲(chǔ)量和產(chǎn)量都約占全國(guó)的1/3[12]，神東礦區(qū)和陜北礦區(qū)為全國(guó)2個(gè)億噸級(jí)大型煤炭生產(chǎn)基地。大采高一次采全高綜采技術(shù)具有生產(chǎn)能力大、資源回收率高、掘進(jìn)量少等優(yōu)點(diǎn)，是淺埋厚煤層的主要采煤方法[35]。然而，傳統(tǒng)的“121工法”回采工藝，存在順槽保護(hù)煤柱資源損失嚴(yán)重，巷道掘進(jìn)量大等缺點(diǎn)[69]，而“110工法”[1012]在工作面回采期間將其中一條順槽通過(guò)切頂卸壓留巷作為相鄰工作面順槽復(fù)用，減少順槽保護(hù)煤柱留設(shè)，減少一條順槽掘進(jìn)工程量，同時(shí)緩解接續(xù)緊張[1316]。

1 張家峁煤礦14211工作面概況

張家峁煤礦4-2號(hào)煤層位于延安組第二段頂部，14211、14212工作面范圍內(nèi)的4-2號(hào)煤層賦存較穩(wěn)定，煤層整體向西南傾斜，傾角1°～2°，煤層的平均厚度為3.88 m(含夾矸)，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～2層夾矸，巖性主要為泥巖。第1層夾矸頂界面距離煤層頂板1.8 m左右，夾矸厚度為0.2～0.4 m左右，主要位于工作面中部及東部；第2層夾矸底界面距離煤層底板1.4 m，厚度為0.2 m左右，分布連續(xù)。14211工作面煤層頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

表1 14211工作面煤層頂?shù)装鍘r性

2 切頂卸壓自成巷設(shè)計(jì)

2.1 切頂卸壓自成巷工藝流程

通過(guò)對(duì)運(yùn)輸順槽靠一次開(kāi)采側(cè)超前定向預(yù)裂，待工作面推采后，切頂部分在礦山壓力的作用下，及時(shí)有序垮落，而原有巷道頂板在加強(qiáng)支護(hù)的基礎(chǔ)上及時(shí)加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)，同時(shí)利用采空區(qū)部分垮落巖體作為留巷巷壁，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)成巷。

“110工法”切頂卸壓自動(dòng)成巷施工主要工藝流程如圖1所示。第1步，采用錨索+W鋼帶對(duì)運(yùn)輸順槽頂板超前加強(qiáng)支護(hù)。第2步，采用專(zhuān)用鉆機(jī)施工切縫鉆孔，確保鉆孔同深度，同角度。超前工作面采用聚能定向預(yù)裂爆破器材實(shí)現(xiàn)精確預(yù)裂，形成切縫線，確保采空區(qū)頂板沿切縫線及時(shí)有序垮落。第3步，工作面架后采用網(wǎng)片與U型鋼進(jìn)行擋矸支護(hù)。第4步，工作面架后頂部采用雙排單元支架加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)。第5步，頂板垮落并穩(wěn)定后，成巷幫采用“吊掛風(fēng)筒布+噴漿”封閉。

圖1 “110工法”工藝流程Fig.1 “110 construction method” technological flow chart

2.2 超前加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

2.2.1 錨索長(zhǎng)度計(jì)算

為了防止切頂過(guò)程中和工作面頂板周期來(lái)壓期間留巷段頂板失穩(wěn)，設(shè)計(jì)運(yùn)輸順槽頂板在錨網(wǎng)梁支護(hù)的基礎(chǔ)上增加錨索+W鋼帶支護(hù)，根據(jù)懸吊理論計(jì)算錨索參數(shù)。

L=La+Lb+Lc+Ld

(1)

式中，L為錨索總長(zhǎng)度，m；La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長(zhǎng)度，1.8 m；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，取0 m；Lc為上托盤(pán)、錨具的長(zhǎng)度，取0.05 m；Ld為外露的張拉長(zhǎng)度，取0.2 m。

則，錨索錨固長(zhǎng)度La為

La≥K×d1×fa/fc

(2)

式中，K為安全系數(shù)，為了確?！?10工法”留巷穩(wěn)定可靠，取2.0；d1為鋼絞線直徑，取21.8 mm；fa為鋼絞線抗拉強(qiáng)度，N/mm2(取1 860 N/mm2)；fc為錨索與錨固劑的粘合強(qiáng)度，取10 N/mm2。則La≥8.11 m，L=8.36 m。

理論計(jì)算錨索長(zhǎng)度為8.36 m，設(shè)計(jì)選用規(guī)格為φ21.8 mm，長(zhǎng)度9 m的錨索，靠近留巷側(cè)一排錨索為了避免預(yù)裂爆破影響，選用長(zhǎng)度10 m的錨索。

2.2.2 錨索間排距

錨索間距確定時(shí)，冒落方式按最嚴(yán)重的冒落高度不小于錨桿長(zhǎng)度的整體冒落考慮。在忽略巖體粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力的條件下，取垂直方向力的平衡，可用式(3)計(jì)算錨索間距。

L=NF2/[B×H×r-(2F1×sinβ)/L1]

(3)

式中，L為錨索間距，m；B為巷道最大冒落寬度，取6.0 m；H為巷道冒落高度，按最嚴(yán)重冒落高度取2.5 m；r為巖體容重，26 kN/m3；L1為錨桿排距，取2倍的錨桿排距為2.4 m；F1為錨桿錨固力，60 kN；F2為錨索極限承載力，取583 kN；β為角錨桿與巷道頂板的夾角，取75°；N為每排錨索排數(shù)，取4。理論計(jì)算得錨索間距不大于6.83 m，設(shè)計(jì)錨索間距1.5 m。

綜上計(jì)算，14211工作面運(yùn)輸順槽加強(qiáng)支護(hù)錨索采用φ21.8 mm，長(zhǎng)度分別為10 m、9 m的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)緊力不小于280 kN，極限拉斷力不小于583 kN。運(yùn)輸順槽靠近一次開(kāi)采側(cè)一排錨索間距1 200 mm，距切頂線300 mm，距一次開(kāi)采幫600 mm，W鋼帶沿巷道走向布置，其余錨索間排距1 500 mm×2 400 mm，W鋼帶垂直巷道走向布置，W鋼帶寬度為220 mm，厚度為5 mm，支護(hù)及斷面圖如圖2所示。

圖2 運(yùn)輸順槽錨索+W鋼帶支護(hù)斷面圖Fig.2 Cross-sectional view of transporting mining roadway anchor cable+W steel belt support

運(yùn)輸順槽頂板采用φ21.8 mm，長(zhǎng)度10 m和9 m的錨索+W鋼帶加固后，由于錨索距切縫線距離較小，巷道頂板切縫側(cè)在錨索+W鋼帶的作用下形成一個(gè)固支結(jié)構(gòu)，巷道頂板另一側(cè)在煤體的支撐下也是一個(gè)固支結(jié)構(gòu)，因此巷道頂板在斷面內(nèi)就是兩端固支的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不會(huì)因頂板形成短臂梁而造成斷裂。

2.3 爆破預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)

2.3.1 切縫孔深度、角度

采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，將特定規(guī)格的炸藥裝在2個(gè)設(shè)定方向有聚能效應(yīng)的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設(shè)定方向上均勻受壓，而在設(shè)定向上集中受拉，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巖石按設(shè)定方向拉裂成型，從而實(shí)現(xiàn)被爆破體按設(shè)定方向張拉斷裂成型。

預(yù)裂切縫深度H縫臨界設(shè)計(jì)公式為

H縫=(H采高-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(4)

式中，ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)，取1.3～1.5。

4-2號(hào)煤層回采工作面設(shè)計(jì)采高3.7 m，ΔH1+ΔH2設(shè)計(jì)為0.3 m，K取1.4，理論計(jì)算結(jié)果預(yù)裂切縫孔深度為8.5 m，此次設(shè)計(jì)切縫孔深度取8.5 m。切縫孔布置在距離巷道一次開(kāi)采幫0.3 m位置處，考慮到施工空間限制及頂部垮落難易程度，切頂孔與鉛錘方向呈10°夾角(向采空區(qū)方向)，切縫孔直徑為50 mm。根據(jù)應(yīng)力波與爆生氣體準(zhǔn)靜壓原理理論計(jì)算，結(jié)合4-2號(hào)煤層頂板巖性，設(shè)計(jì)切縫孔間距為600 mm，每排1個(gè)。

2.3.2 切縫孔間距

根據(jù)《無(wú)煤柱自成巷110工法規(guī)范》，頂板定向預(yù)裂切縫鉆孔間距的選取見(jiàn)表2。14211工作面頂板為符合性頂板，設(shè)計(jì)切縫孔間距為600 mm。

表2 頂板定向預(yù)裂切縫鉆孔間距

2.3.3 爆破材料及裝藥結(jié)構(gòu)

炸藥采用二級(jí)煤礦許用乳化炸藥，規(guī)格φ32 mm×200 mm，單卷藥量200 g，炸藥密度1.0～1.3 g/cm3，炸藥爆速≥3 000 m/s。雙向聚能管采用BTC-1500、BTC-1000型雙向聚能管，外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，利用專(zhuān)用連接定向器(ORI-5000型)將多個(gè)聚能管通過(guò)定向銷(xiāo)連接。孔內(nèi)采用不耦合間隔裝藥，正向爆破。切縫孔深度8.5 m，裝藥長(zhǎng)度5.5 m，封孔長(zhǎng)度3.0 m，每孔裝藥量為2.8 kg，線裝藥密度0.51 kg/m。

2.3.4 爆破網(wǎng)絡(luò)與起爆方式

采用導(dǎo)爆索正向起爆，一次裝藥，一次起爆，一次起爆10個(gè)炮眼，連續(xù)裝藥5個(gè)，間隔1個(gè)，一次爆破距離7.2 m，每日爆破4次，爆破距離28.8 m。乳化炸藥裝入聚能管底部，相鄰聚能管內(nèi)炸藥采用導(dǎo)爆索連接，聚能管之間采用連接件固定，每個(gè)切縫孔采用1根長(zhǎng)度10 m的導(dǎo)爆索。采用“黃泥+封孔劑”封孔方式，具體采用1 m黃泥+2節(jié)封孔劑和75 mm黃泥隔布置(累計(jì)長(zhǎng)度1.3 m)+0.5 m黃泥+0.2 m長(zhǎng)度的木楔子。封孔劑規(guī)格為φ30 mm，長(zhǎng)度200 mm，裝孔內(nèi)夯實(shí)后單節(jié)長(zhǎng)度100 mm。每個(gè)切縫孔孔口安裝一個(gè)木楔子(留設(shè)導(dǎo)爆索凹槽)。

2.4 擋矸支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)切頂卸壓自成巷理論，工作面機(jī)頭端頭支架移架后，切縫線外的頂板(采空區(qū))隨即垮落。為了防止矸石垮落威脅人員掛網(wǎng)、擋矸作業(yè)，設(shè)計(jì)于3#端頭支架右側(cè)焊接擋矸鋼板9 000 mm×2 500 mm×20 mm(長(zhǎng)×高×厚)，有效擋矸長(zhǎng)度5 500 mm，擋矸板正視、俯視圖如圖3所示。

圖3 擋矸板正視、俯視圖Fig.3 Front view and top view of the baffle plate

擋矸支護(hù)工藝主要分3步：①采用14#鐵絲將預(yù)先綁扎于一起的φ4 mm的鉛絲網(wǎng)、φ1.5 mm的篩網(wǎng)、φ6.5 mm的鋼筋網(wǎng)3層網(wǎng)片與巷道頂部鋼筋網(wǎng)片連接，網(wǎng)片尺寸均為3.3 m×1.2 m，鉛絲網(wǎng)網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，篩網(wǎng)網(wǎng)孔規(guī)格為5 mm×5 mm，鋼筋網(wǎng)網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。②在擋矸網(wǎng)片外側(cè)鋪風(fēng)筒布，臨時(shí)起到擋風(fēng)作用，防止漏風(fēng)。③在網(wǎng)片及風(fēng)筒布外架設(shè)29U型鋼，間距550 mm。架設(shè)U型鋼時(shí)預(yù)先將上、下兩節(jié)根據(jù)巷道高度對(duì)接，并用卡纜預(yù)緊，避免錯(cuò)動(dòng)即可；然后將U型鋼立于支設(shè)位置，連接撐拉板后采用小型單體在上節(jié)U型鋼底端推移至接頂，最后將卡纜緊固到位，扭矩不小于200 N·m。

2.5 架后臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

工作面推采過(guò)程中，巷道不同位置所受采動(dòng)影響的程度不同，且采空區(qū)頂板從開(kāi)始垮落到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間。為了保證留巷的穩(wěn)定性，架后區(qū)域需要增設(shè)臨時(shí)支護(hù)，當(dāng)頂板運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定后，方可回撤架后臨時(shí)支護(hù)。工作面后方能滿(mǎn)足布置一臺(tái)單元支架的空間時(shí)，在擋矸線外和煤柱側(cè)各布置一臺(tái)單元支架，如圖4所示。

圖4 架后臨時(shí)支護(hù)斷面圖Fig.4 Cross-sectional view of the temporary support behind the frame

架后臨時(shí)支護(hù)采用雙排單元支架支護(hù)，如因留巷寬度影響輔助運(yùn)輸時(shí)，采用單排單元支架和單排單體支護(hù)，架后臨時(shí)支護(hù)距離不小于200 m，具體根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果確定。

3 留巷效果分析

3.1 超前預(yù)裂爆破效果

14211工作面運(yùn)輸順槽切縫孔深度8.5 m，封孔長(zhǎng)度3 m，單孔裝藥量2.8 kg。初始預(yù)裂時(shí)，通過(guò)鉆孔窺視，孔內(nèi)3 m至孔底有較為明顯的裂隙產(chǎn)生，但孔口頻繁出現(xiàn)“椎體”狀破壞，直徑200～300 mm，高度200～300 mm，頂板靠留巷側(cè)的個(gè)別錨桿、錨索受爆破振動(dòng)影響而失效，影響擋矸支護(hù)及留巷質(zhì)量。對(duì)此，探索性地調(diào)整裝藥間隔方式(5+1、10+1、2+1)、裝藥量(2.8 kg、3.6 kg)、雷管段位(12345)、封孔方式(黃泥、黃泥+封孔劑)等，目的是在確保切縫孔內(nèi)裂隙發(fā)育的前期下保護(hù)孔口的完整性。通過(guò)試驗(yàn)，最終確定采用“裝2空1”裝藥間隔方式，單孔內(nèi)采用“6552”裝藥結(jié)構(gòu)，封泥采用1 m黃泥、1.3 m封孔劑+黃泥、0.5 m黃泥和0.2 m木楔子，在保證孔內(nèi)裂隙充分發(fā)育的情況下保證了孔口的完整性。

3.2 留巷段礦壓規(guī)律

110工法留巷段礦壓監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括錨桿/錨索受力、頂?shù)装逡平?、頂板離層量、單元支架工作阻力監(jiān)測(cè)等。留巷0～100 m段每20 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)站，100 m起每50 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)站。

3.2.1 頂?shù)装逡平?主要表現(xiàn)為頂板下沉)

后巷0～30 m，頂?shù)装逡平繜o(wú)變化。后巷30～170 m(140 m，推采17 d)，一次快速下沉區(qū)，下沉量50 mm，下沉速率3 mm/d。后巷170～240 m(70 m，推采8～9 d)，一次緩慢下沉區(qū)，下沉量10 mm，下沉速率1 mm/d。后巷240～260 m(20 m，推采2 d，回撤單元支架)，二次快速下沉區(qū)，下沉量10 mm，下沉速率5 mm/d。后巷260～300 m(40 m，推采5 d)，二次緩慢下沉區(qū)，下沉量10 mm，下沉速率2 mm/d。后巷大于300 m，頂板趨于穩(wěn)定，下沉速率小于1 mm/d。

3.2.2 錨索受力監(jiān)測(cè)

后巷0～50 m，錨索受力無(wú)變化。后巷50～100 m，錨索受力會(huì)出現(xiàn)一次驟減，減幅5%～25%，認(rèn)為是頂板巖層垮落，懸頂面積減小導(dǎo)致錨索受力減小，同時(shí)說(shuō)明切頂高度范圍內(nèi)頂板仍存在懸頂現(xiàn)象。后巷100～200 m，錨索受力增幅很小，雖然頂板尚未充分垮落，單元支架支護(hù)效果顯著。后巷200～260 m，錨索受力會(huì)出現(xiàn)一次驟增，增幅20%～25%，單元支架回撤后錨索受力增大。后巷260～300 m，錨索受力趨于定值(260 kN)，說(shuō)明頂板基本趨于穩(wěn)定。錨索受力監(jiān)測(cè)儀安裝存在一些問(wèn)題，具體如：錨索受力監(jiān)測(cè)站給定的初始值大小差異大，小則80～100 kN，大則200～220 kN，個(gè)別錨索受力監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)一直無(wú)變化。

3.2.3 單元支架工作阻力

單元支架初撐力20 MPa；留巷0～100 m，單元支架工作阻力由20 MPa逐漸增至40 MPa；留巷100～240 m，個(gè)別單元支架工作阻力達(dá)42～45 MPa。

3.3 防滅火措施

工作面初采、末采期間每天噴灑阻化劑，噴灑量200 kg，工作面正常回采期間每天噴灑阻化劑量100 kg。工作面回采結(jié)束封閉后，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行采后預(yù)防性灌漿。工作面出現(xiàn)異常情況時(shí)，進(jìn)行注氮防滅火工作。留巷擋矸支護(hù)時(shí)，在網(wǎng)片與U型鋼之間全高吊掛風(fēng)筒布(3.5 m×5 m)，鐵絲綁扎，穩(wěn)定區(qū)(300 m外)進(jìn)行噴漿封堵。井下定期調(diào)查風(fēng)量，地面定期巡查塌陷情況，要及時(shí)回填較大的裂縫，準(zhǔn)確掌握工作面、留巷段漏風(fēng)情況，特別對(duì)留巷段采取噴漿堵漏防漏風(fēng)措施。

4 結(jié)語(yǔ)

張家峁煤礦14211工作面“110工法”采用定向預(yù)裂爆破技術(shù)，確保了切縫成線，采空區(qū)頂板實(shí)現(xiàn)及時(shí)有序垮落，提高了煤炭資源回收率和開(kāi)采安全性。架后臨時(shí)支護(hù)采用雙排單元支架，提高了支護(hù)強(qiáng)度，降低了人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度。根據(jù)工作面地質(zhì)條件，通過(guò)探索試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)預(yù)裂孔采用黃泥配合封孔劑進(jìn)行封孔的效果最佳?！?10工法”體現(xiàn)出的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。