王喜晨

（晉能控股集團(tuán)晉圣潤(rùn)東煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

當(dāng)前，回采巷道掘進(jìn)作業(yè)中很多礦井應(yīng)用的是沿空掘巷方式進(jìn)行掘進(jìn)，這樣預(yù)留的煤柱間距對(duì)其支護(hù)的有效性有很大的影響。如果煤柱太大，則會(huì)產(chǎn)生較大的承載量，對(duì)井筒的養(yǎng)護(hù)更為有利。一方面，對(duì)于高突礦井而言，需要加大的消突工作量；另一方面又會(huì)導(dǎo)致大量的資源消耗。如果小煤柱太窄，巷道就會(huì)受到鄰近回采工作面的支承應(yīng)力的嚴(yán)重影響，而且需要長(zhǎng)達(dá)半年的穩(wěn)定期之后才可以掘巷，對(duì)煤礦的持續(xù)生產(chǎn)不利。在這種情況下，晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦為了提高礦山的資源利用率、降低巷道維修費(fèi)用、保障礦井的正常生產(chǎn)、延長(zhǎng)礦山的使用壽命，在2502 工作面進(jìn)風(fēng)巷采用了沿空掘巷的超前切頂卸壓技術(shù)[1]。

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某煤礦25 采區(qū)在+240 m 的底端，2504 采區(qū)東側(cè)為25#采區(qū)的邊界線，西側(cè)為25#回風(fēng)巷，南側(cè)為2502，北側(cè)為2506。二疊系下統(tǒng)山西組3#煤為主要的煤種，其煤種為貧煤。根據(jù)回采區(qū)的采礦技術(shù)規(guī)范，在工作面的中段有一背斜結(jié)構(gòu)，兩側(cè)的斜坡為5°～7°，背斜的軸部趨向于WN。由于背向斷層的作用，整個(gè)采場(chǎng)呈現(xiàn)出兩側(cè)低、中部高的特點(diǎn)，高度落差為22 m 左右。2504 工作面的進(jìn)風(fēng)巷截面為凈寬×凈高為5 m×3.2 m 的矩形截面；在2502 工作面回風(fēng)巷預(yù)留15 m 長(zhǎng)的小煤柱，其截面尺寸為：凈寬×凈高=5 m×3.5 m。

2 切頂卸壓圍巖控制原理

確定了在采煤過(guò)程中，上覆煤體為A 型煤體，下采煤體為B 型煤體。在鄰近的順槽沿巷道軸線上采取了爆破預(yù)裂的方法，隨著工作面的不斷向前，B 型巖石沿著原裂縫滑行，A 段和B 段斷裂，由于煤層之間的斷裂，導(dǎo)致了煤體柱沿空巷道圍巖的應(yīng)力再分配，從而對(duì)周圍的應(yīng)力狀況改善起到積極效果。通過(guò)采用爆破削頂，可以加速B 型煤體沿預(yù)裂面上的剪切速率，使采空區(qū)提前穩(wěn)定，降低沿空巷的水平支承壓力對(duì)煤層的作用;另一方面，促進(jìn)A、B 兩個(gè)區(qū)塊的連接斷開(kāi)，防止B 區(qū)塊在斷裂部位的彎曲形變區(qū)域?qū)ρ乜障锏赖闹卧斐捎绊?。結(jié)果表明，在鄰近的采煤工作面順槽進(jìn)行切頂卸壓等措施，沿空巷道所處部位的頂板應(yīng)力顯著減小，從而大大減輕了巷道的支撐困難。避免了先挖后補(bǔ)的情況[2]。

3 切頂卸壓技術(shù)參數(shù)

3.1 切頂高度

對(duì)于窄煤柱沿空掘巷，其切頂高度的計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：Hm為切頂高度，m；hi為頂板分層厚度，1 m；M為采高，3 m；KP為垮落矸石碎脹系數(shù)，取1.2。

通過(guò)上述的公式可以計(jì)算得到Hm的取值：Hm=15 m。根據(jù)關(guān)鍵層的原理和基礎(chǔ)頂板的厚度，確定了切頂面得到高度為20 m。

3.2 切頂角度

利用3 DEC 仿真軟件，對(duì)頂板破碎部位和頂板受力狀態(tài)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了最合理的切頂角，以保證頂板順利切落，減少頂板支承應(yīng)力。根據(jù)其它礦山的實(shí)際情況，運(yùn)用工程模擬方法，分別分析了切頂角在0°、±5°、±10°和15°時(shí)的不同條件下，頂板應(yīng)力的變化情況。

在不同的切頂角條件下，頂板的垂直應(yīng)力分布曲線都發(fā)生了急劇的變化，表明采用了切頂和卸壓法，可以成功地將頂板從頂部切割下來(lái)，并將其與基礎(chǔ)頂部的連接斷開(kāi)，從而降低了頂部的懸臂梁的高度，從而使得頂板產(chǎn)生了一個(gè)彎曲的、下沉的、由崩塌的巖體所支持的頂板[3]。

如圖1 所示，6 個(gè)切頂角豎向應(yīng)力曲線進(jìn)行比較，其中豎向應(yīng)力急劇降低的部位是預(yù)裂平面。在切頂角分別為0°、±5°、±10°和15°時(shí)，豎向應(yīng)力急劇降低的部位在距2502 回風(fēng)巷附近的小煤柱左邊[4]。由于小煤柱的作用，不能將層間的連接斷開(kāi)，對(duì)采空區(qū)側(cè)頂板的切割不利，而且頂板豎向應(yīng)力較大。結(jié)果表明，在5°和10°的切頂角下，兩種頂板的應(yīng)力分布規(guī)律相近，但在10°的情況下，頂板的豎向應(yīng)力幾乎為零，說(shuō)明這種夾角有利于頂板的切割，從而使頂板與基礎(chǔ)頂板的層間失去聯(lián)系；在切頂角增加到15°時(shí)，豎向應(yīng)力顯著增高，波動(dòng)幅度較大，說(shuō)明在小煤柱上部形成的懸臂結(jié)構(gòu)隨傾角的增加而增加，造成了小煤柱承受一定的壓力。最后，確定采用10°的切頂角，確保了采空區(qū)側(cè)頂板的順利切入，并將頂板的豎向應(yīng)力降到最低。

圖1 頂板在不同切頂角度下的垂直應(yīng)力曲線

3.3 預(yù)裂爆破參數(shù)

1）炮孔間距。通過(guò)工程模擬和深孔預(yù)裂爆破的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出了沿隧道軸線方向的炮眼間隔為2 m 的情況下，頂板易于發(fā)生連續(xù)崩塌。爆破鉆孔布置示意圖，如圖2 所示。

圖2 爆破鉆孔布置示意圖

2）爆破時(shí)機(jī)選擇。由于2502 風(fēng)巷的爆破施工比2502 工作面的回采要早，因此，要合理地布置爆破時(shí)間，保證了切頂?shù)捻樌麑?shí)施，同時(shí)，也能保證工作面的正常開(kāi)采。根據(jù)工作面首次和周期來(lái)壓步距，在2502風(fēng)巷的前部40 m 處進(jìn)行了爆破，確保了工作面在周期性來(lái)壓的影響下進(jìn)行；采空區(qū)的頂板可以沿著預(yù)裂平面進(jìn)行切割[5]。

3.4 超前加固

在2502 風(fēng)巷施工中，應(yīng)用了“錨索+支承”技術(shù)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力處理。頂板加固和支撐剖面，如圖3 所示。

圖3 頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面圖（未標(biāo)單位：mm）

1）錨索規(guī)格。在工作面靠近煤柱面500 mm 處沿巷道軸方向設(shè)置一列加固錨桿，間隔1 500 mm。錨索采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線制成，規(guī)格為Φ22 mm×9 300 mm，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，其錨固力為35 kN。托盤采用16 mm 高強(qiáng)度鋼板，規(guī)格為300 mm×300 mm。

2）托梁規(guī)格。支架由12#工字鋼制造，長(zhǎng)3 200 mm，在每個(gè)托梁上開(kāi)3 個(gè)直徑為25 mm 的鉆孔，孔間隔1.5 m，并與錨桿一起加固支護(hù)，以增強(qiáng)表面的強(qiáng)度[6]。

4 切頂卸壓效果

1）在爆破切割、卸壓后，在頂板預(yù)開(kāi)裂部位進(jìn)行了鉆孔，隨后利用鉆孔窺視儀進(jìn)行了切割和卸壓試驗(yàn)。從圖4 可以看出，在鉆孔內(nèi)，在洞壁的兩邊都有貫穿裂紋，其他部位的巖體完全度良好，從而實(shí)現(xiàn)了定向預(yù)裂[7]。

圖4 爆破切頂卸壓效果圖

2）在2502 回風(fēng)巷頂板上爆破預(yù)裂面，采空區(qū)一側(cè)的頂板成功地切下了20 m 的頂板，小煤柱的頂板豎向應(yīng)力為零，它與基礎(chǔ)頂部的層間連接被截?cái)啵瑥亩鴮?shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)[8]。

3）在40 m 超前工作面上進(jìn)行爆破，并隨著工作面推進(jìn)到爆破區(qū)，在周期性的壓力作用下，采空區(qū)的頂板沿著預(yù)裂面成功地切割下來(lái)，并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)崩塌[9]。

5 結(jié)論

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)公司某煤礦從原理上進(jìn)行了分析，得出了切頂卸壓技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，對(duì)爆破和回采時(shí)間進(jìn)行了科學(xué)的調(diào)度，并采用了提前加強(qiáng)的方法，通過(guò)對(duì)2502 風(fēng)巷的爆破切割和卸載工藝的研究，取得了較好的效果。

1）為了減少采空區(qū)的頂板和基礎(chǔ)頂面的分層連接，將小煤柱柱沿空巷周圍的巖體應(yīng)力進(jìn)行再分配，從而降低頂板所受的壓力，從而改善了周圍巖石的應(yīng)力。

2）極大地減少了支護(hù)的困難，使頂板和兩幫的變形都得到了顯著的減少，避免了先挖后修的情況。該巷道擴(kuò)修費(fèi)用為4 200 元/m，長(zhǎng)度為1 400 m，節(jié)省了維修資金588 萬(wàn)元。