厚硬顶板爆破切顶沿空留巷工程实践

刘成伟 高 魁

(1.安徽理工大学能源与安全学院；2.淮南矿业(集团)有限责任公司；3.平安煤矿瓦斯治理国家工程研究中心有限责任公司)

厚硬顶板爆破切顶沿空留巷工程实践

刘成伟1,2,3高 魁1

(1.安徽理工大学能源与安全学院；2.淮南矿业(集团)有限责任公司；3.平安煤矿瓦斯治理国家工程研究中心有限责任公司)

厚硬顶板条件对沿空留巷非常不利，大面积顶板突然冒落对充填墙体产生冲击破坏，悬顶还会使留巷墙体长期处于集中应力作用下，加大了留巷围岩变形和留巷难度。通过在工作面前方实施顶板预裂爆破，在工作面后方爆破切顶控制留巷侧向悬顶长度，保证了坚硬厚层顶板条件下沿空留巷的顺利实施。

厚硬顶板 沿空留巷 爆破 切顶

无煤柱Y型通风沿空留巷，解决了U型通风工作面上隅角瓦斯积聚超限难题，取消了区段煤柱，改善了工作面作业环境，是深部煤炭安全高效开采的关键技术。在坚硬顶板条件下沿空留巷时，煤层顶板强度高，岩层节理和裂隙不发育，顶板整体性好，回采后容易造成大面积的悬顶。尤其是厚硬顶板条件下采场，矿山压力显现极为剧烈，在煤层回采后往往形成大面积悬顶。悬顶突然断裂会给采场造成严重的冲击破坏，甚至会诱发矿震。厚硬顶板条件对沿空留巷也非常不利，悬顶会形成小结构支撑应力场，使留巷墙体长期处于集中应力作用下，加大了留巷围岩变形和留巷难度。因此，需要对厚硬顶板条件下的留巷进行力学分析，以便采取相应措施，降低留巷难度和成本[1-3]。

1 沿空留巷墙体受力分析

沿工作面倾向剖面，工作面回采后采空侧上覆岩体的断裂如图1所示。对于坚硬厚层顶板直覆条件，岩块B在采空侧容易形成悬臂结构，在巷道周围尤其是墙体上方易形成高支承压力，且只要悬臂不破断，此高支承压力将长期存在，巷道将出现大变形，不能满足使用要求。对岩块B进行受力分析，侧向悬顶悬臂梁力学模型如图2所示[4-6]。

图1 沿空留巷侧向顶板破断示意

充填墙体支护强度P1与悬顶长度l关系如下：

(1)

其中，

图2 侧向悬顶悬臂梁力学模型

(2)

(3)

式中,Mmax为基本顶侧向悬顶悬臂的极限弯矩，N·m；m为煤层采高，m；A1为侧压系数；c0为煤层与顶底板岩层交界面的黏聚力，N；φ0为煤层与顶底板岩层交界面的内摩擦角,(°)；P0为煤帮的支护强度，N/m2；Rt为顶板岩层的抗拉强度，Pa；h为坚硬直接顶岩层厚度，m;M为直接顶极限弯矩，N·m。

可见，充填墙体支护强度与悬顶长度成二次幂的关系，充填墙体支护强度受悬顶长度影响很大，减小悬臂长度能显著减小切断基本顶的墙体强度。

2 沿空留巷工程实践

2.1 工作面地质概况

某矿沿空留巷试验巷道为工作面回风巷，采深312～364 m，煤层厚度为0.8～1.9 m，平均厚度约1.6 m，属薄煤层。受褶曲和断层影响，煤层倾角变化较大，为4°～12°，直接顶板为灰～灰黑色薄层状中细粒砂岩，厚度约10 m。往上依次为灰色中粒砂岩，厚度8.0 m；灰黑色砂质泥岩，厚度12～18 m。直接底板为黑色砂质泥岩，厚1.6 m。往下依次为黑色条带状中细粒砂岩，厚度6.0～10 m；灰白色中粒砂岩，厚度18 m；黑色泥岩，厚30 m。属厚层坚硬顶板直接覆盖条件。

2.2 工作面前方顶板预裂爆破

在工作面前方采用深孔爆破，对8 m厚中粒砂岩基本顶进行预裂，增加基本顶内裂隙，降低基本顶强度，使采后顶板容易冒落，发挥冒落矸石的垫层效应，降低墙体载荷。炮孔布置方式根据基本顶的高度和厚度、节理及层理裂隙产状、工作面倾角及倾斜长度、采煤方法及采高、支护方式及支护强度、工作面初次来压及周期来压的步距、钻孔机具的性能、炸药爆破性能等因素确定。采用巷道双向钻孔法布置炮孔，即在工作面回风巷与进风巷同时向顶板岩体内打孔(图3)，每一组包含基本顶切断孔(炮孔1、2、3、4、5、7、8)、端头切断孔(炮孔6)。炮孔布置参数见表1。

图3 工作面前方顶板预裂爆破孔布置

表1 炮孔布置参数

2.3 工作面后方爆破切顶

留巷后，在工作面前方顶板预裂爆破基础上，采用爆破切顶精确控制留巷侧向悬臂长度，优化留巷区域应力场。爆破施工具体参数见图4及表2。

图4 爆破切顶沿空留巷炮孔布置

2.4 沿空留巷围岩控制效果

2.4.1 巷道表面位移分析

工作面后方围岩变形情况如图5所示。从图5可知，工作面后方顶板下沉量、底鼓量、充填体变形量、非回采侧变形量分别达到148，260，240，195mm。留巷两帮变形以充填侧为主，顶底板移近以底鼓为主。巷道围岩稳定后，巷道底鼓量、充填侧变形量分别比顶板下沉量和非回采侧变形量多112，45 mm，巷道底鼓量、充填侧变形量分别占顶底板移近量、两帮移近量的64%、55%，巷道围岩变形呈现不均衡性。

表2 沿空留巷区域应力控制炮孔参数

图5 工作面后方留巷围岩变形

2.4.2 围岩深部位移分析

留巷帮部围岩深部位移观测曲线如图6所示。

图6 留巷帮部围岩深部位移观测曲线

2，4，6，8，10，12 m测点范围内的围岩最大累计位移量分别为9，10，30，40，27，39 mm。工作面后方110m之内，4m处测点位移量比较小，最大位移只有10 mm，表明帮部2.4 m长锚杆较好地控制了锚杆锚固范围内围岩的离层发育，4 m以外各测点位移相差不大，最大值达到40 mm，说明帮部离层基本上发生在4 m以外，也就是说发生在锚杆锚固区外。

2.4.3 留巷效果巷道经历了回采阶段、充填留巷稳定阶段，留巷后巷道围岩基本保持完整，墙体整体维护效果良好，留巷断面达到10～11 m2，满足了预期的留巷要求。

3 结 论

(1)分析了采场侧向顶板结构的稳定性，得出了厚硬顶板条件下的留巷墙体支护强度计算公式。充填墙体支护强度P1与悬顶长度l成二次幂关系，受悬顶长度影响很大，减小悬臂长度能减小切断直接顶时的墙体支护强度。

(2)通过工作面前方顶板预裂爆破及工作面后方爆破切顶两种切顶卸压方法，控制留巷侧向悬顶长度，发挥冒落矸石支撑作用，控制老顶的回转和下沉变形，减缓大跨度悬顶对墙体的支承压力，防止长距离、大面积坚硬厚层顶板突然垮落对墙体的冲击作用，保证了坚硬厚层顶板条件下沿空留巷的顺利实施。

[1] 朱永鹏,毕思峰,宋成伟.坚硬顶板条件沿空留巷技术研究及应用[J].煤炭工程,2011(10):65-71.

[2] 刘书粱.坚硬顶板超前预裂爆破技术在沿空留巷中的应用[J].煤矿开采,2013,18(2):79-81.

[3] 张创业,吴建宇.坚硬顶板强制切顶技术在保护层开采中的应用[J].能源技术与管理,2014,39(2):83-84.

[4] 张 羽,潘跃文.坚硬无直接顶沿空留巷围岩稳定性控制研究[J].煤炭科技,2012(1):14-17.

[5] 华心祝,马俊枫,许庭教.沿空留巷巷旁锚索加强支护与参数优化[J].煤炭科学技术,2004,32(8):60-64.

[6] 高 魁,刘泽功,刘 健，等.深孔爆破在深井坚硬复合顶板沿空留巷强制放顶中的应用[J].岩石力学与工程学报,2013,32(8):1588-1594.

·记者在线·

行情不济 铁矿价格或一直“颓势”

2015年以来，铁矿价格已经下跌超过32%。铁矿石最高价格出现在1月6日的71.38美元/t，最低价格是7月8日的45.13美元/t。10月中旬以来，铁矿石价格一路下跌。仅仅在10月份，铁矿石价格下跌幅度就超过12%。有观点认为此次下跌或是一次深度下跌，甚至存在突破40美元/t的可能。

Practice of Thick and Hard Roof Caving with Blasting in Gob-side Entry Retaining

Liu Chengwei1,2,3Gao Kui1

(1.College of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology;2. Huainan Mining (Group) Co.,Ltd.;3.National Engineering Research Center for Coal Gas Control Co.,Ltd.)

The condition of thick and hard roof is bad for gob-side entry retaining,the large area of roof sudden caving can generate impact breakage to the filling wall, the roof hanging can also make the wall under the effects of stress concentration for a long time, which increase the deformation of the surrounding rock and the difficulty of gob-side entry retaining. Through roof pre-splitting blasting in front of working face, and the length of lateral cantilever controlled by blasting behind the working face, the gob-side entry retaining can be conducted smoothly under the condition of thick and hard roof.

Thick and hard roof， Gob-side entry retaining, Blasting, Roof cutting

2015-06-23)

刘成伟(1984—)，男，工程师，232001 安徽省淮南市。