马兰矿综放工作面切顶卸压沿空留巷技术应用

崔小欢

（山西西山煤电股份有限公司马兰矿，山西 古交，030205）

沿空留巷技术在煤矿开采中有效提高了煤炭资源的回采率，具有降低工作面上隅角瓦斯积聚，缓解采掘接续紧张等技术优势。国内外学者对沿空留巷矿压显现规律、支护技术、填充材料等方面均进行大量的理论研究和现场实践[1-3]。近几年，淮南矿业集团为了解决低透气性煤层群瓦斯治理难题，在学习、引进、消化德国沿空留巷技术的基础上，开发了机械模板充填混凝土沿空留巷技术。该技术在一定程度上解决了煤矿井下现浇混凝土支模难题，目前主要在一些回采推进度较慢的薄煤层和中厚煤层中应用。

1 工作面切顶卸压沿空留巷技术机理

一般工作面顶板断裂有两种形式[4-5]：

（1）顶板在煤柱上方断裂，见图1。如果顶板断裂位置在煤柱上方，则煤柱作为岩梁一端的承载基，必然受力集中，煤柱塑性区范围大，留设煤柱尺寸也就相应的大，浪费煤炭资源。

（2）顶板在采空区上方断裂，见图2。当顶板断裂线位于采空区上方，则煤柱上方顶板为一悬臂梁结构，悬臂梁受力完全作用在煤柱上，同样煤柱塑性区范围大，需要留设较大的煤柱。

图1 顶板断裂位于煤柱上方

图2 顶板断裂位于采空区上方

采用聚能穴定向爆破对顶板侧向切断的办法可以减小煤柱内的应力集中现象。如图2所示，将顶板沿巷道上方切断，避免左右两侧岩梁的“拉扯”作用而造成的煤柱应力集中，可以减小煤柱尺寸留设。此外，由于顶板切断，应力集中转移程度减小，下一个工作面的顺槽巷道帮鼓和底鼓现象也会有所缓和。

2 工作面概况

马兰矿南五下组煤采区18504工作面开采石炭系太原组8号煤层，煤层厚度4.00～4.68 m，平均4.53 m，平均倾角为6°，结构简单—复杂，含夹矸0～3层，属稳定可采煤层。顶板为泥灰岩、粉砂岩。

工作面采用走向长壁采煤法，综采放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板。该工作面主要采用双滚筒采煤机割煤、装煤、自行斜切进刀，割煤高度2800 mm±100 mm，截深0.8 m；工作面前后各安装一部刮板运输机运煤。工作面开口位于南五下组煤辅助运输下山，西北侧为18310采空区，东南侧为18506工作面。其相邻南三下组煤采区开采，在留设90 m护巷煤柱的情况下其辅助运输下山仍出现大的变形，底板累计鼓起1.5 m，巷道经过多次维修投入了大量的人力物力，严重制约着采区高效生产。

3 工作面切顶卸压沿空留巷技术应用

3.1 超前切顶卸压爆破孔参数

（1）布孔方式

沿巷道走向靠回采侧肩角布一排平行孔，炮孔直径Φ=75 mm，炮孔倾角β=75°，见图3。

（2）炮孔长度计算[6-7]

a、切顶高度计算

为使综放工作面顶板垮落矸石充满采空区，降低沿空留巷动压，根据工程经验，确定煤层顶板以上4倍采高范围内的岩层属于需要弱化岩层，切顶高度计算如下：

式中:MZ为切顶高度，m；H为工作面割煤高度，取3 m；T为工作面顶煤厚度，取2.47 m；SA为工作面老顶位于下部岩体的沉降值，一般取0.2H，m；C为残煤厚度，m；KA为处于冒落带岩体的碎胀系数，取1.4；η为放出率，取0.7；Km为顶煤垮落后的碎胀系数，取1.2。

经计算得：MZ=12.05 m。

b、炮孔长度计算

按照对切顶高度的计算可知，随着岩石的碎胀作用，采空区完全被工作面上方煤体与顶板矸石充满，其高度值为12.05 m，因此，其主要解决的区域为顶板上部13 m范围的岩体，从而可以确定炮孔长度L。

经计算得：L=13.2 m。考虑到施工便利性，取炮孔长度L为14 m，初期进行试验，然后经过试验逐步将其参数设计至最优。

图3 超前预裂爆破布孔参数

（3）炮孔间距计算[8-9]

a、按应力波叠加作用计算（采用不耦合装药）。

式中：a为炮孔间距，m；σt为岩石的抗拉强度，此处取3.69 MPa；p2为炮孔壁初始压力峰值，MPa；p0炸药密度，t/m3；D 爆速，m/s；n 为压力增大倍数，此处n=10；b为侧应力系数，此处33；α为应力波峰值在岩体内的衰减指数，此处a=2-b=1.67；rb为爆破影响范围，m，dc为锚杆长度，m，db为锚固长度，m。

a1=2（0.33×1280/3.69）1/1.67×2.1×10-2=1.758 m。

b、按应力波与爆生气体准静压共同作用计算。

在炮孔的密闭空间内，其应力波和爆生气体的共同作用下，使得孔壁发生变形，该种状态的力学模型为厚壁圆筒受到内压作用下应力模型，可以根据弹塑性理论中的岩体强度准则和厚壁圆筒理论，得出：

式中：p0作用于炮孔壁的准静态压力。

当采用柱状不耦合装药时，有：

因此，炮孔间距为a=a1+a2=1.758+0.42=2.178 m，同时考虑到炮孔壁初始压力峰值和作用于炮孔壁的准静态压力都比岩体本身的抗压强度要大得多，所以会出现能量损失，所以炮孔间距实际取1.5 m最为合适。

3.2 装药参数

采用孔底不耦合连续装药，装药长度8 m。单孔装药量为：

式中：q为每米装药量，kg/m，此处q=2.8125 kg/m；l为装药长度,m。

Q=q×l=2.8125×8=22.5 kg（90卷）

3.3 切顶卸压柔模混凝土沿空留巷施工步骤

根据以上切顶卸压爆破设计参数，沿空留巷采用机械化施工，施工步骤如下：

（1）在综采工作面前方50 m的范围以外，根据预先设计好的预裂钻孔，提前施工；

（2）根据综采工作面的开采方式与方向，在综采工作面前方30～50 m之间依次进行预裂爆破，使得在工作面前方形成切顶缷压预裂切缝线；

（3）超前工作面0～30 m，按设计位置布置巷内临时加强支护；

（4）当综采工作面完全开采完毕后，对采空区内矸石沿着切缝线使用档矸支架进行处理，待检修班浇筑柔模混凝土墙体隔绝采空区，这样有效保证巷道支护效果佳。

4 沿空留巷经济效益分析

1）节省区段煤柱效益：18504工作面回采推进长度1848 m，煤层平均厚度5.53 m，顶煤回收率按85%计算，密度1.4 t/m3，煤柱25 m，采用沿空留巷以后，共计多回收煤炭资源249 kt，吨煤利税按照200元计算，回收煤柱创造经济效益4981万元。

2）少掘巷效益：18504工作面可以少掘进少掘巷道1985 m （轨道顺槽绕道37 m），巷掘进综合费用8000元/m，掘巷总费用为1588万元，即少掘巷就可创造经济效益1588万元。

3） 沿空留巷工程费用： 沿空留巷长度为1860 m，留巷工程费用为5446.52元/m，则该工作面所需的沿空留巷费用为1013万元。

沿空留巷前期一次性投资为557万元。综上所述，18504工作面沿空留巷初步预计可产生经济效益6038万元。

5 结语

1）采用沿空留巷技术以后，首先取消或回收了相邻工作面间的护巷煤柱，实现无煤柱开采；沿空保留回撤通道，作为回收盘区大巷煤柱的回采巷道，最终实现盘区内无煤柱开采；最大限度地开发和利用了有限的资源，有助于社会的可持续发展。

2）工作面切顶卸压柔模混凝土沿空留巷技术实现了机械化施工，降低了工人劳动强度，提高了施工效率，有利于矿井高效生产。