定向预裂爆破切顶卸压沿空留巷技术实践

2023-03-10卢志敏

煤炭与化工 2023年1期

卢志敏

（1.国家能源充填采煤技术重点实验室，河北邢台 054000；2.河北煤炭科学研究院有限公司，河北邢台 054000；3.河北充填采矿技术有限公司，河北邢台 054000；4.河北省充填采煤技术创新中心，河北邢台 054000）

留设一定宽度的煤柱是煤矿常用的回采巷道护巷方法。但随着煤矿开采深度的增大，矿山压力更加剧烈，护巷煤柱的尺寸越来越大，部分矿井达到30～50 m。该部分资源无法回收，降低了煤炭资源的回收率。同时多煤层开采时，护巷煤柱容易引起应力集中，影响下煤层巷道的稳定[1-3]。因此，以沿空留巷为代表的无煤柱开采技术逐渐引起重视。针对不同的地质情况，无巷旁支护[4-5]、超高水材料巷旁充填[6-7]、爆破切顶[8-9]、柔模混凝土支护[10-11]等留巷技术均取得了较好的效果。冀中能源邯矿集团陶二矿经过多年的开采，赋存条件较好的资源开采殆尽，为提高煤炭资源回收率，在1223工作面开展了定向预裂爆破切顶卸压沿空留巷技术的研究。

1 概况

1.1 地质生产条件

陶二矿1223工作面位于井底车场西北部，为边角煤开采工作面，北部为1221采空区，南部为电厂保护煤柱，东部为岩浆岩侵入注销报损区，西部为大巷井底车场煤柱。工作面高-224—-178 m，地面标高168.6—174.4 m，煤层埋深350.4～396.3 m。所采煤层为2号煤，厚度0～5.20 m，平均3.0 m，煤层顶底板岩性如图1所示。

图1 1 223工作面顶底板岩性Fig.1 Roof and floor lithology of No.1223 Face

1.2 巷道永久支护参数

1223皮带巷掘进期间采用锚网索支护，顶锚杆选用φ20 mm×2 400 mm的阻尼螺纹钢锚杆，间排距800 mm×900 mm，顶锚索选用φ17.8 mm×7 920 mm钢绞线，顺巷3列，隔一架3根，均匀布置。帮锚索选用φ15.24 mm×4 200 mm钢绞线，间排距为800 mm×900 mm，帮部顶角和底角锚索距顶、底均不大于300 mm。

2 定向爆破卸压留巷原理

2.1 技术原理

传统的留巷方式是在巷道内靠近采空区侧加强支护或者构筑充填体，工作面回采过后，巷内及巷旁支护共同承载顶板载荷，如果顶板垮落不及时，则采空区未垮落岩层长期作用于巷内支护体上，导致顶板下沉严重，留巷效果差。而定向预裂爆破切顶卸压的方式则是在工作面回采过程中，采场前方巷道中施工爆破钻孔，对巷道顶板进行预切顶。使巷道顶板与工作面顶板产生裂缝，待工作面回采过后，采空区顶板沿裂缝回转垮落，减少对巷内支护体的载荷，起到较好的留巷效果，如图2所示。

图2 切顶留巷技术原理Fig.2 Technical principle of cutting roof retaining roadway

2.2 关键技术

（1）高强支护。沿空保留的巷道要经历2次采动影响，同时采用爆破切顶的巷道还受钻孔爆破的影响，多次影响下，需要采用高强支护体及时进行支护。

（2）确定合理的切顶高度。合理的切顶高度应能保证采空区侧顶板沿预定裂缝垮落，减少对巷内支护体的作用力，同时能够填满采空区，对未垮落岩层形成一定的支护作用，促进采空区顶板的稳定。

3 现场应用

研究表明，沿空留巷的巷道变形具有明显的阶段性，不同区域受工作面回采产生的支承压力的影响程度不同，导致巷道变形速率及变形量有差异，主要分为超前加固区、剧烈变形区、稳定区等，在不同的区域应采取不同的支护方式[12]。结合1223皮带巷的地质生产条件，确定留巷整体支护方案，如图3所示。

图3 切顶留巷总体方案Fig.3 Overall scheme of cutting roof retaining roadway

3.1 锚索加固

在原锚网索支护的基础上，补打顶锚索进行加强支护。锚索规格为φ17.8 mm×1 000 mm，锚索间距为800 mm，锚索之间用W钢带连接。要求锚索涨拉力不小于40 MPa，超前工作面距离不得小于60 m。

3.2 定向爆破切顶

3.2.1 切顶高度的确定

按公式（1）计算切顶高度Hq。

式中：m为煤层厚度，m；H1为煤层顶板下沉量，m；H2为采空区底板底臌量，m；K为顶板岩层的碎胀系数。

陶二矿2号煤顶板主要为砂岩，碎胀系数按1.4计算，采空区顶底板移近量按0.3 m计算，可得切顶高度为7.8 m。

3.2.2 切顶角度的确定

合理的切顶角度有利于顶板垮落。建立切顶后上覆岩层的垮落模型，如图4所示。

图4 垮落后采空区覆岩力学模型Fig.4 Rock mechanics model of mined-out area after caving

根据力学关系，可得到切顶角度的计算公式。式中：α为切顶角度，（°）；R为岩块B向下的作用力，kN；F为巷内支护体对顶板的作用力，kN；T为岩块之间水平推力，kN；φ为岩块之间的摩擦角，（°）。

根据1223工作面的地质条件，代入计算可得，切顶角度为12°～17°。

3.2.3 钻孔布置

钻孔深度为8.0 m，间距为500 mm，与回采帮的距离为300 mm。经优化采用MQ130锚杆钻机使用45 mm的专用钻头进行施工，按照三维空间上与水平面成75°角，与钻孔连线垂直。

3.2.4 装药结构

为保证切顶线沿工作面推进方向，将炸药装进聚能管中。炸药爆炸产生的能量通过聚能管上的聚能槽定向切割顶板，形成15 mm左右的裂缝。1223皮带巷采用的聚能装置为BTC-1200特制聚能管，聚能管外径为40 mm、壁厚为2 mm，每根聚能管长度为1 200 mm。所采用的炸药为三级矿用乳化炸药，直径为32 mm，每卷长度为300 mm。根据切顶高度，每个钻孔使用4根聚能管，装药量由内向外依次为3卷、3卷、2卷、2卷。每次爆破均是从孔底开始安装聚能管连续装药，并安设雷管和引线。每个聚能管设置一个雷管。孔口用炮泥封孔，封孔长度不低于3 000 mm。

3.3 挡矸支护

靠近采空区支设矿用工字钢挂双层金属网，工字钢两端用110 mm×90 mm的钢板封闭，长度视巷道高度而定，要求深入巷道底板不得小于400 mm。工字钢与锚杆同排，支设在2根锚杆中间，间距为900 mm。工字钢与顶板之间用木楔楔紧。工字钢后铺设金属网。菱形网的长度为1 000 mm，高度视巷道高度而定，高于巷道高度200 mm。金属网吊挂时长边垂直巷道，用14号铁丝将挡矸网与原巷道顶网片连接，联网时第一片网压第二片网，搭接部分500 mm，并用铁丝单排联接，扣距100 mm，联网均为双丝双扣，每扣扭结不少于3圈，联网丝采用14号铁丝，依次是前片网压后片网，网底部用矸石埋压牢固，保证挡矸效果。网片与工字钢之间裱褙背板，错落布置。工字钢挡矸布置如图5所示。

3.4 剧烈变形区及滞后支护

工作面回采过后，在巷道内支设单体柱和铰接梁对巷道进行支护。铰接梁的长度为800 mm，顺巷布置，布置2排，间距为2 200 mm。两梁三柱，即一梁两柱和一梁一柱交替布置。

在稳定区，视巷道稳定情况回撤单体柱，改为一梁一柱或全部回撤，同时可提前对巷道进行卧底，保证下工作面使用。

4 现场应用及效果

4.1 施工工艺

定向预裂爆破切顶卸压留巷需要在工作面前方对巷道进行加固切顶同时钻孔爆破，在工作面与巷道连接处加强支护，在工作面后方采取措施挡矸，待巷道稳定后对巷道进行维修，以满足二次回采的需要。

（1）超前锚索加固。工作面前方50～70 m，对工作面顶板进行锚索加固。

（2）钻孔爆破。超前工作面35～50 m，滞后4个钻孔起爆，一次同时起爆3个钻孔，每天的爆破切顶距离与推进距离相当。

（3）超前支护。在工作面前方超前支承压力影响范围内，利用单体柱对工作面进行超前支护，超前支护范围不得小于20 m。

（4）剧烈变形区支护。工作面割煤后，在支架后方挂双层金属网，支设单体和工字钢配合金属网，进行挡矸支护。该区域的支护范围为工作面后方150 m以内。

（5）巷道卧底修。在工作面后方150 m以外，巷道变形稳定后，逐渐将单体柱回撤。对巷道顶板条件差、巷道仍有变形区域，采取加强支护措施。

4.2 切顶效果

工作面前方爆破切顶后，采用窥视仪对切顶情况进行观测，如图6所示。

图6 切顶效果观测Fig.6 Observation of roof cutting effect

由窥视结果可以看出，钻孔内形成2条明显裂隙，平行于工作面推进方向，并且裂缝向上延伸距离较长，取得了理想的切顶效果。

4.3 巷道变形观测

在1223工作面回采过程中，在工作面前方设置测站，对巷道变形进行观测。从工作面前方50 m开始，间隔50 m共设置3个测站，其中2号测站的观测结果如图7所示。

图7 巷道变形观测结果Fig.7 Observation results of roadway deformation

由图7可以看出，在工作面前方30 m左右，受爆破及工作面回采的影响，巷道顶板首先出现下沉，但下沉速度和下沉量相对较小。在工作面前方10 m范围内，巷道变形速度明显加快，实体煤帮帮臌速率和顶板下沉速率均超过10 mm/d。在工作面后方10 m左右，巷道变形速率明显减小，20 m以外，巷道进入流变状态，变形速率保持在0.2 mm/d，最终观测到的顶板下沉量为526 mm，实体煤帮鼓量为285 mm。巷道底臌量为310 mm，经过简单卧底即可满足生产要求。