深孔聚能顶板预裂爆破沿空留巷技术研究及实验应用

刘雨涛 李燕平 张开加 郭怀广

摘 要：分析沿空留巷技术特点和难点，有针对性地提出“深孔聚能顶板预裂爆破”技术，并采取预制块砌墙护巷方案，通过高山煤矿1902工作面的现场实验考察，验证了上述顶板预裂爆破技术及预制块砌墙护巷技术在解决沿空留巷技术难题方面的作用，有效减轻巷道的变形，解决巷道维护困难及漏风问题，对该项技术在本矿区其他工作面以及类似地质条件的其他矿井中的推广应用具有较高的参考价值和指导意义

关键词：沿空留巷；深孔聚能；顶板预裂爆破；预制块；巷道维护

中图分类号：TD353 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0063-03

Abstract： This paper analyzes the technical characteristics and difficulties of gob-side entry retaining， puts forward the "deep-hole shaped roof pre-splitting blasting" technology， and adopts the precast block masonry wall to protect the roadway， through the field test investigation of the 1902 working face in the high mountain coal mine. The effect of the roof pre-splitting blasting technology and the precast block masonry wall protection technology upon solving the technical problems of gob-side entry retaining is verified， and the deformation of the roadway is effectively reduced， the difficult maintenance of the roadway and the problem of air leakage are solved. It is of high reference value and guiding significance for the popularization and application of this technology in other working faces and other mines with similar geological conditions in this mining area.

Keywords： gob-side entry retaining； deep-hole energy accumulation； roof presplitting blasting； precast block； roadway maintenance

高山煤礦属于煤与瓦斯突出矿井，主采的9号煤层具有煤与瓦斯突出危险性。为治理矿井瓦斯，在掘进机回采前需采取穿层或顺层钻孔预抽煤层瓦斯。采掘前的瓦斯治理工作需要较长时间，导致采掘接替十分紧张。为缓解该情况，目前矿井较多采用沿空掘巷技术，以减少瓦斯治理所需时间，该技术在缩短瓦斯治理时间上起到一定作用，但也带来了一些新的问题：小煤柱留设宽带一般为5m，在工作面回采过程中小煤柱一侧巷道变形严重，支护、维修存在较大困难；小煤柱在多次集中应力的影响下，而小煤柱另一侧为采空区，煤层原始赋存状态被破坏，容易导致漏风，采空区瓦斯在风压作用下被带入巷道及工作面；高山煤矿9号煤层自然发货期较短，小煤柱在多次集中应力的影响下，煤层原始赋存状态被破坏，不利于矿井火灾防治[1][2]。

为进一步缩短回采前的巷道准备及瓦斯治理时间，矿井拟采用沿空留巷技术。采用沿空留巷技术可以减少一条回采巷道的掘进工程量，但是，传统沿空留巷技术依然存在支护困难及临近工作面采空区漏风情况[3]。为解决上述问题，提出“深孔聚能顶板预裂爆破”沿空留巷技术，并在高山煤矿1902工作面进行实践应用。

1 深孔聚能顶板预裂爆破

深孔聚能预裂爆破顶板沿空留巷是通过聚能预裂爆破后的预裂面改变了沿空留巷巷道上覆悬伸顶板岩体的结构，引起岩层移动规律发生相应的改变。在采面顶板周期来压作用下，悬伸岩层在上覆压力挤压下沿预裂面切落（垮落），极大消散了沿空留巷巷道围岩的应力集中程度，应力集中向围岩深部转移，改善了沿空留巷巷道的围岩应力环境，减小了巷内支护的受力及巷旁支护的阻力和应力集中程度，最终提高沿空留巷巷道稳定性[4][5]。

深孔聚能预裂爆破技术方案及参数设计如下：

1.1 深孔聚能预裂爆破起始位置

切顶卸压沿空留巷起始位置的选择在一定程度上影响着最终的成巷效果。为保证工程项目的顺利实施及施工安全，在选择起始位置时，要综合考虑多种因素，慎重选择。根据高山煤矿9号煤层实测矿压资料，预计工作面的矿压情况如下：（1）基本顶初次来压步距为25～50m。（2）基本顶周期来压步距为25～45m。可确定于距离开切眼后18m（初次来压步距的1/2）即可消除新切眼的干扰。安全起见，在距离切眼后20m进行预裂爆破切顶施工。

1.2 炮孔深度（预裂爆破切缝高度）设计

聚能爆破炮孔深度与煤层顶、底板岩性及厚度、煤层厚度、工作面采高及顺槽断面尺寸有密切联系。炮孔深度是否合适将直接影响到爆破切顶效果，以及顶板垮落程度及施工工程量。1902工作面采用综合机械化开采，煤层直接顶板为粉砂岩、泥土岩，平均厚度为1.09m。基本顶板为粉砂岩，平均厚度为5.92m。煤层厚度为1.7m，下顺槽断面为矩形，断面规格：净宽×净高=4.2m×2.0m，断面积为8m2。根据高山煤矿施工经验，并结合现场经验（顶板垮落容易），设计炮眼深度5m，炮眼角度为90°（垂直于顶板）。

1.3 施工顺序及施工工序

炮孔沿巷道按工作面推进方向从里往外逐段施工。

施工工序：（1）正常回采时：割煤→移架→沿空留巷施工。（2）顶板破碎时：移架→沿空留巷施工→割煤。

1.4 沿空留巷支护方式及相关要求

（1）单体支柱配合铰接顶梁支护：采用DW22～DW25型单体液压支柱配合HDJB-1200型铰接顶梁沿爆破地点的预裂线走向架设两排棚进行支护，排间距为300mm，柱距为600mm。根据爆破实际情况，在有需要的情况下，在沿采空区一侧的单体柱上用铁丝捆绑金属网（双层）隔离采空区。沿巷道下帮采用DW22～DW25型单体液压支柱配HDJB-1200型铰接顶梁架设单排棚进行支护，柱距600mm。

（2）锚索配合锚网支护：在原来锚杆配合金属网支护顶板的基础上，沿着沿空留巷巷道中心线每隔2.4m施工一根规格为直径×长度=0.01524m×6.0m的锚索。如果在留巷后顶板巷道压力大增加下帮压力，煤壁有严重片帮时，可以在实煤体侧的巷帮上加挂金属网并加打两排管缝锚杆，锚杆规格为直径×长度=0.042m×1.4m。间排距为1.0m×1.0m。如图2所示。

2 现场观测分析

在1902工作面采用深孔聚能顶板预裂爆破技术过程中，对运输巷及回风巷围岩应力分布、变形规律、锚杆锚固力等进行监测。分析采用深孔聚能顶板预裂爆破措施前后，煤体走向及侧向应力分布、基本顶断裂位置、塑性区分布、超前支护范围以及滞后压力高峰位置等的变化情况。

2.1 顶板离层监测

顶板离层仪是适用于监测巷道顶板围岩层分离时所产生位移的专用监测仪器，为工程技术人员掌控锚杆支护及巷道顶板在受采动影响时的围岩离层量的变化情况。

顶板离层仪的两个固定装置（锚爪）固定在钻孔中不同深度处，锚爪随岩层的变化而发生相对移动，其量通过仪器内传感器记录下，通过顶板不同层位的位移差，从而判断出巷道顶板的稳定性和锚杆支护效果。顶板离层仪安装位置如图3所示，观测结果如表1所示。观测显示在观测期内，顶板离层值较小，顶板是稳定的。

2.2 巷道断面围岩变形观测

巷道断面变形采用十字分布点法来进行，如图4所示。观测断面与离层断面位置对应。该部分数据由监测人员每天下井记录一次，观测结果如表2所示。从观测结果看，后期顶底板平均变形总量基本维持在300±50mm，两帮平均变形总量维持在200±20mm，墙体基本稳定。

2.3 煤体应力观测

煤体应力的监测采用液压型煤体应力计监测，该部分数据由监测人员每天下井记录一次。安装方法及参数：煤体应力监测共布置10个应力传感器。由于工作面呈近水平，所以只布置在工作面一条顺槽内即可，沿煤柱侧施工应力观测钻孔，并安装液压型煤体应力计。墙体应力监测结果如图5和图6所示。从监测数据来看，砌墙约150m以后，墙体受力基本稳定。

2.4 深孔聚能爆破沿空留巷实施情况前后对比

顶板预裂爆破后，顶板岩体胶结稳固性遭到破坏，随着回采的推进，顶板又进一步受到作业的扰动，慢慢地发生下沉，出现裂隙和断裂现象。由于人工先采取了预裂爆破措施后，顶板断裂就会先发生在已遭破坏的岩体中进行，于是岩体就会沿着预裂爆破的炮眼先发生裂隙和断裂，为下一步沿着预裂爆破炮眼发生垮落创造了条件。

2.5 深孔聚能爆破沿空留巷巷旁支护选择

顶板预裂切顶卸压沿空留巷的实施能否成功，后期能不能达到预期的留巷效果，在很大程度上取决于巷旁支护对巷道的维护作用。在后期的观察中，由于顶板压力较大，使用单体棚作为巷旁支护导致留出的巷道毛边多，垮落不齐整，巷道返修率高，后期巷道变形较大，单体棚损坏严重等问题，直接导致沿空留巷效果，影响沿空留巷的正常使用。为此，在采用深孔聚能预裂爆破顶板措施后，使用單体柱作为临时支护，使用高强度预制块砌墙作为永久性巷旁支护[6]。

3 效果分析

以上监测结果显示，采用“深孔聚能顶板预裂”方式在1902工作面沿空留巷效果总体良好，利用混凝土“预制块砌墙”作为巷旁支护可以有效控制顶板下沉，保证所留巷道的整体稳定性，该项目在高山煤矿取得了成功。

4 效益分析

4.1 留巷成本降低

根据计算，沿空留巷材料成本、人工成本总计为：868元/m。而沿空掘巷每米成本约为2000元，经济效益明显。

4.2 回收煤柱增产

采用沿空留巷后，由于取消了煤柱，每个工作面可以多回收一条20m宽的煤柱（无烟煤），现在每吨煤按280元计算，则每米巷道可回收煤柱增产的效益为1×1.7 20 1.6 280=15232元，本工作面推采长度710m计，回收煤柱增产效益为1081.5万元。

4.3 由于不再掘进煤巷，从而减少了瓦斯治理投入，以本矿井煤巷瓦斯治理成本2520元/m计，本工作面推采长度710m计，采后将减少掘进710m， 减少瓦斯治理投入178.9万元。

5 结束语

深孔聚能预裂爆破顶板沿空留巷项目取得较好的经济效益和社会效益，有效缓解高山煤矿采掘接替紧张的问题，对该项技术在本矿区其他工作面以及类似地质条件的其他矿井中的推广应用具有较高的参考价值和指导意义。

参考文献：

[1]高浩，崔廷锋，张魁，等.沿小煤柱沿空掘巷技术[J].煤矿安全，2012，4：106-108.

[2]曹建军.深井采场沿空掘巷关键技术研究[D].山东科技大学，2008：2-5.

[3]尹根成，张军.沿空留巷技术研究现状与展望[J].煤炭工程，2007，5：32-34.

[4]李雪.老顶断裂位置对沿空留巷顶板及煤柱稳定性影响研究[D].安徽理工大学，2015：23-31.

[5]薛博.沿空留巷顶板结构稳定性分析[J].中州煤炭，2016，4：65-69.

[6]吴蔚.混凝土砌块墙巷旁支护沿空留巷技术研究与应用[D].山东科技大学，2013：3-8.