采煤工作面锚网索支护沿空留巷技术的研究与应用

邓泽超

【摘 要】采煤工作面倾向长度大受到运输设备限制，无法满足生产需要，将工作面分为上下两块，掘进中间巷作为上下两块顺槽，在中间巷实施顶板预裂爆破切顶留巷技术。

【Abstract】The inclination length of mining face is long ，and limited by the transportation equipment，which can not meet the needs of production.Dividing the working face into top and bottom two pieces，and driving into the middle lane as the crossheading of the top and bottom two pieces.In the middle lane， the technology of roof presplitting blasting cutting roof and retaining lane is implemented.

【关键词】采煤工作面；顶板预裂爆破；沿空留巷

【Keywords】coal mining face；roof presplitting blasting； gob-side entry retaining

【中图分类号】TD353 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）05-0138-02

1 工作面地质概况

工作面开采2#煤。层位较稳定，煤层倾角8～18°，平均13°，平均厚度2.4m，工作面直接顶为6m细砂岩，斜交层理发育，工作面采用倾斜长壁后退式轻型放顶煤采煤方法，顶板采用全部垮落法管理。

2 顶板预裂爆破切顶技术留巷原理

超前采面煤壁一定距离（在高峰压力前），对顺槽巷道采面一侧顶板进行预裂爆破，使之形成一定深度的并与铅垂线有小夹角的立面贯穿裂缝。采面向外推进，采空区顶板垮落，采面一侧的顶板沿立面贯穿裂缝切顶垮落，垮落的岩体成为留巷的巷帮。当采空侧顶板切顶垮落后，顺槽巷道顶板成为悬壁梁，在锚索、锚杆悬吊和组合梁作用以及巷道内单体支柱的支撑下，维持平衡。随着采面向外推进，采空区后方顶板，进一步垮落，垮落的矸石填充了采空区后方的空间，支撑了上覆岩层，对沿空留巷顶板给予一定支撑，逐渐趋于稳定，形成沿空留巷。

在沿空留巷过程中，预裂爆破技术是关键，其顶板能否形成预裂面，预裂面的角度、深度是否合理，是沿空留巷能否成功的主要因素。

3 工作面顺槽沿空留巷的设计

设计方案如下：

①沿空留巷采用顶板定向预裂爆破、锚索工字钢预加固联合切顶技术，现巷道规格：4×2.6m，留巷后设计规格：3.3×2.7m。（详见图1）

②锚索工字钢预加固施工超前支架位置20～50m完成，无缝钢管打设与支架位置同步，并进行施工质量监测。同步安设常规矿压监测装置。锚索工字钢加固方式：顺巷道走向打设2排锚索工字钢，自下帮至上帮方向排距依次为400mm、1500mm，间距800mm，并与2m长18#工字钢连锁，锚索采用φ21.6mm×10m钢绞线，无缝钢管采用6寸充填管路（长度根据巷道高度制做，自制顶帽），间距为1m。

③超前支架位置不小于20m在溜子道顶板预裂爆破钻孔施工及定向预裂爆破切缝。定向预裂爆破孔直径为42mm，间距1.0m，每两个爆破孔中间位置打一个导向眼，孔径42mm。在采空区侧挂设挡矸竹帘、矿用塑料网、板梁，挂网进度与支架位置同步。（详见图1）

④挂网后后期对老空侧無缝钢管顶帮进行喷浆，顶板喷浆宽度1m，喷浆厚度50mm，隔离墙喷浆厚度60mm。

4 沿空留巷施工工艺流程

安全确认→准备物料工具→超前煤壁30-50m打设锚索、工字钢加固顶板→顶板加固后超前煤壁20m打设预裂炮孔与导向孔→割煤回采→无缝钢管与1#端头支架后柱同步打设→裱褙挡砟网与挡砟帘→无缝钢管之间打设液压点柱→滞后煤壁30m下帮两排巷道液压单体支护放顶→滞后煤壁50m上帮两排巷道液压单体支护放顶→下一循环。

后期：替换留巷液压单体成无缝钢管→集中喷浆。

5 双向聚能顶板预裂爆破装置原理

双向聚能张拉预裂爆破，是借助双向聚能装置，实现在设定断裂方向产生集中应力，利用爆破集中应力断裂岩体，即在一种圆管材料上预定位置，双向开缝，为实现预定效果，一方面，要求聚能管壁具有一定的强度，以减少爆轰产物对预留围岩的损伤；另一方面，要求聚能管壁强度不能过大，以减少作用于聚能管上的能量消耗和减少装置成本，为此，我们选用PVC管，并将其加工成便于现场安装使用的双向开缝的聚能管。在使用前，按照要求将其组装成件，方便运输和安装。在控制爆破的一组炮孔中装药，使用组装好的聚能管，按照规定结构进行操作，一定要使双向开缝对准预裂方向，并将剩余炮孔段用炮泥封堵严实，一组炮孔同时起爆后，爆炸产生的冲击波和应力波沿设定方向集中释放，作用于双向开缝对准的孔壁上，使炮孔与炮孔之间产生径向初始裂缝，随后，爆生气体涌入，在集中张拉应力作用下，驱动裂缝扩展，断裂岩体，从而形成定向控制爆破断裂面，实现顶板切缝断裂控制爆破，由于聚能管壁的缓冲保护作用，在爆炸过程中，减少了冲击波和爆生气体对保留围岩的直接作用，从而抑制了非设定方向裂纹的发展，减少了对保留围岩的损伤。

6 双向聚能爆破技术参数

6.1 炸药药卷直径、聚能管径与炮孔直径的选择

炸药药卷直径、聚能管径与炮孔直径三者必须相互匹配。预裂爆破的对象是2#煤层顶板岩层，岩层为砂页岩，硬度系数4～5，与石灰岩相比，韧性较强，需要较大的药力，为此，我们根据常用的机具和火药品种，确定：炮孔直径42mm，聚能管外径36mm，乳化炸药药卷直径32mm。

6.2 炮孔位置

根据沿空留巷的需要，切顶炮孔位置选择在中间巷上帮顶角部位。

6.3 炮孔间距

留巷巷道采用锚网带加锚索支护，带距0.8m，为了方便施工规范操作，初定炮孔间距为0.4m（根据爆破效果可调整）。

6.4 炮孔角度

为了减小采空顶板垮落时与留巷顶板的摩擦力，并且考虑到采空顶板垮落后岩体能够较完整的作为留巷的上帮，初定炮孔向采面一侧偏斜，炮孔方向与铅垂线夹角为5～10°。

6.5 炮孔深度

煤层采出后，直接顶岩层垮落而破碎，破碎后的岩层体积产生膨胀，其堆积充满采空后方空间后，上覆岩层在自重荷载下，逐渐压实，压实过程，上覆岩层弯曲变形，对巷道支护影响较小，因此，采空顶板岩层垮落厚度即为炮孔深度。

采空顶板岩层垮落厚度取决于岩层的碎胀系数K，我矿2#煤层顶板岩层，属于中硬岩层，碎胀系数为1.3～1.5，根据采空区垮落岩层较碎情况，取K=1.45。

需垮落岩层厚度：H=h/（K-1）=6.7m

h：采高，取3m K：岩层膨胀系数，取1.45

因此，炮孔深度设计为7m。

7 双向聚能爆破结构

一个炮孔装四段聚能管，第一段置孔底，雷管反向装设，第二段、第三段和第四段依次装入，雷管均正向装设。

每段聚能管长1500mm，上250mm为炮泥，中间药卷1000mm，下250mm为炮泥，聚能管中间两侧开缝长1000mm，宽5mm，剩余炮孔用炮泥封堵嚴实。

8 留巷效果

沿空留巷可使下一个工作面少掘一条巷道，有效缓解采掘接续紧张的问题，同时采用预裂爆破与锚索工字钢联合切顶技术，可有效控制巷道围岩变形，减少巷道整修工作量，实现无煤柱护巷开采，减少一条区段保护巷煤柱，提高煤炭资源回收率。

9 结论

通过采用切顶沿空留巷技术，该工作面正常回采至结束，现场调查发现，切顶侧顶板完整，留巷效果较好，采空区顶板垮落均匀，碎石矸可有效封闭采空区，非切顶侧顶板岩层弯曲变形，其压力从采空侧向非采空侧转移，将导致留巷煤帮受压鼓出、片帮变形破坏，留巷底板发生鼓起变形，使用前，需进行刷帮和卧底整修施工。

回采后，留巷切顶侧顶板可能破碎，出现开裂现象，巷帮垮落不均匀，岩石较破碎，起不到支撑老顶作用，巷道宽度满足不了生产需要，使用前需根据情况采取扩帮、架棚支护或单体支护，进行整修施工。