综采工作面切顶卸压沿空留巷技术的应用

2022-04-02杨超

山西冶金 2022年1期

杨超

（山西汾西矿业集团中兴煤业，山西交城 030500）

为解决留煤柱开采可能造成的应力集中问题，防止巷道产生严重的变形，导致地质灾害发生，可为综采工作面采用切顶卸压沿空留巷技术，以此在保证产量的同时，保障安全。

1 工程概况

某煤矿综采面为不规则矩形，回采面倾斜175 m长，上、下巷长度分别为2 846 m 和2 754 m。该工作面有3.6～4.5 m 厚的煤层，煤层的平均厚度为4.05 m，倾角为9°～16°，平均倾角为12°。该工作面采用全部垮落法进行顶板管理，并在上巷通过切顶沿空留巷，长500 m，在留巷结束后，为南部相邻其它工作面提供服务。

留巷顶板是14.2 m 厚细砂岩，而基本顶是32.2 m厚细砂岩与含砾粗砂岩。巷道底板是5.1 m 厚细砂岩，而基本底是6.2 m 厚粉砂岩。由此可见，无论巷道顶板还是底板，其围岩均不稳定。

该工作面的上巷原采用梯形断面，开挖宽度和净宽分别为5.08 m、5.00 m，顶板支护分别采用金属网和螺纹钢锚杆，帮壁支护分别采用塑料网及树脂锚杆。顶部锚杆的设置间距与排距均为1 000 mm，上、下帮处的锚杆设置间距与排距分别为1 000 mm和800 mm。

2 技术应用

2.1 支护设计

为了使切顶时巷道保持稳定，预裂切顶开始前应借助锚索予以补强加固处理。而为了使锚索最大限度发挥出应有的支护性能，同时防止预裂爆破及顶板垮落等可能造成的影响，锚索长度要比预裂切顶时的爆破高度大2 m，同时保证所有锚固端都处在稳定岩层当中[1]。通过对顶板岩层实际分布与原支护系系统参数状况的综合考虑，将锚索长度确定为12.3 m。

无煤柱开采与留煤柱开采有很大不同，其中，无煤柱开采的垮落位置和时间都是确定的，工作面推进完成后，顶板岩石将在裂缝线进行垮落；另外，在垮落高度方面，无煤柱开采较为充分且平衡，两带高度低于原工法。在这种情况下，在有效锚固范围之内，锚索不会影响到预紧力[2]。

该工作面的上巷一共设置两道锚索，其中，第一道锚索和切缝钻孔之间的距离为400 mm，与回采侧煤帮之间的距离为500 mm，锚索的排距为1 000 mm，两根相邻的锚索间利用W 型钢带相连，钢带的尺寸为3 000 mm×300 mm×5 mm；第二道锚索则在巷道的中线进行布置，其排距为2 000 mm。该工作面上巷锚索补强支护与切缝钻孔布置见图1。

图1 工作面上巷锚索补强支护与切缝钻孔布置（mm）

2.2 预裂爆破

本次采用双向聚能预裂爆破的方法，将预先确定的炸药分别安装在不同方向，在炸药起爆之后，围岩在未设定的方向上实现均匀受压，但在设定的方向上则处在集中受拉状态，由于岩石具有抗压畏拉的特点，所以会使岩石沿设定方向通过拉裂成型[3]。

2.2.1 切缝钻孔深度和间隔距离

在预裂切缝过程中，钻孔的深度和开采高度、顶板的实际下沉量与底鼓量等均有一定关联，通常可以采用如下公式通过计算来确定：

式中：ΔH缝表示工作面开采高度，m；ΔH1表示顶板下沉量，m；ΔH2表示底鼓量，m；K表示碎胀系数，与顶板的岩性有关，一般取1.4。

若不考虑顶板的下沉与底鼓，则当工作面的开采高度为4 m 时（最大值），基于对顶板岩性和过去施工经验的综合考虑，可将切缝钻孔深度确定为10 m，切缝钻孔和巷道回采侧帮之间的距离为100 mm，切缝表面和铅垂线之间的夹角取15°，相邻切缝钻孔之间的距离为500 mm。

2.2.2 爆破工艺参数

按照设计方案实施单孔试验，以此确定适宜的装药数量与封泥长度，然后通过间隔爆破，确定两个相邻的孔之间是否存在裂纹，若裂纹没有达到相关标准提出的要求，则应继续进行一次试验，确定适宜的爆破孔数与爆破方式[4]。

对于双向聚能管，应使用特制的产品，其内、外径分别为36.5 mm 和42 mm，长度为1 500 mm。炸药应使用专门用于煤矿生产的三级乳化炸药，封孔使用炮泥进行，封孔的长度应达到2 m 以上。该工作面根据其它矿井相关经验进行至少50 m 的超前爆破作业。

2.3 施工方案

考虑到该工作面的上覆岩层硬度较大，如果支架后方区域悬顶距离较或垮落矸石的块度很大，则为了避免顶板产生应力集中，则需要在做好预裂钻孔前提下，在顶板处设置扇形孔，通过深孔松动爆破，对综采面顶板实施弱化，使顶板得以充分的松动与预裂，确保回采完成后产生的采空区，其顶板的垮落得以及时充填。

将两个钻孔作为一组，其深度分别为11 m 和14 m，和铅垂线直线分别保持30°和45°的角，两个相邻的钻孔组之间，其间隔距离为5 m。钻孔使用采用ZDY1900S 型钻机进行，所用钻头的直径为94 mm。

松动爆破的装药长度按3 000 mm 控制，为了使爆破达到理想的效果并保证安全，应有6 m 以上的封孔。另外，为进一步保证安全，并降低操作难度和复杂程度，确保装药得以充分引爆，所有炮孔都使用延期电雷管进行起爆，每次仅允许起爆一组。在充填堵孔的过程中，应使用塑性材料，如黄土细砂，避免爆炸产生气体从孔口处冲出，同时使爆炸能够反复作用岩体，最大限度利用炸药爆炸的能量，保证实际的爆破效果。

在该综采面上向工作面顶板设置扇形深孔进行松动爆破能实现对顶板的有效弱化，后期以顶板垮落现象的跟踪观测结果为依据，对爆破的各项技术参数进行适当调整，以此达到预期的施工效果[5]。

3 效益分析

3.1 技术效益

该技术的应用引领了当前矿业技术的进一步变革。根据现场实际情况对支护参数进行优化，明确了适宜的支护方法。对典型性的围岩分布规律予以改变及优化，使围岩的实际变形量及巷道底鼓量均明显减少，工作面与巷道围岩压力降低，防止采动过程中产生太大的超前压力，从根本上解决围岩应力集中方面的问题。

3.2 经济效益

首先能减少掘进成本，并能减少施工人员实际工作量的分配，减小队伍的规模，节省整个掘进施工的开支，为矿井生产效益的有效提高创造了良好条件；其次能提高煤炭资源的回收率，该技术的应用不需要留设煤柱，单位长度巷道能多回收大量资源，进而带来巨大的手艺；最后能减少巷道支护方面的成本，实现对支护技术参数的有效优化，进一步提高实际生产效益。