鄭艷棟

（大同煤礦集團有限公司安全監(jiān)管五人小組管理部，山西 大同 037003）

為了解決困擾云岡礦資源枯竭、礦井采掘接替困難的問題，提高煤炭資源回收率，延長礦井服務(wù)年限，解決上隅角瓦斯積聚問題，保障礦井安全生產(chǎn)，在綜合考慮井下地質(zhì)、生產(chǎn)、設(shè)備等實際情況后，研究在81043 工作面采用預(yù)裂縫切頂留巷技術(shù)。81043 綜采工作面長116 m，可采長度約為749 m，埋深373～409 m，煤層的平均厚度為3.72 m，煤層平均傾角為4.2°。81043 綜采工作面沿空留巷的頂板為復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)，直接頂為泥巖，平均厚度為2.7 m，基本頂為細砂巖，平均厚度為1.8 m，直接底為粉砂巖，平均厚度為3.26 m。在對留巷工藝應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，進一步對切頂留巷原理、巷道頂板預(yù)裂縫工藝參數(shù)設(shè)計、爆破藥結(jié)構(gòu)設(shè)置及置換方案等進行了驗證，最終研究出最佳的預(yù)裂縫工藝參數(shù)和爆破結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)實際應(yīng)用表明，該技術(shù)方案頂板垮落及時，成巷效果較好，有效減少了工作面間煤柱損失，解決了工作面上隅角瓦斯積聚問題，保障了工作面安全生產(chǎn)。

1 切頂留巷技術(shù)方案

切頂留巷綜采技術(shù)方案是指在采用可靠的加強支護條件下，在井下巷道采空區(qū)域的指定位置對頂板的側(cè)面設(shè)置一個超前的人工切縫，將巷道頂部的覆巖和采空區(qū)側(cè)頂板之間進行隔斷，避免兩個范圍內(nèi)的應(yīng)力相互傳遞，將長距離的懸空頂板轉(zhuǎn)換為短臂梁的結(jié)構(gòu)。當(dāng)井下綜采面完成回采作業(yè)后，短臂梁在人工或者頂板來壓作用下垮塌，形成了穩(wěn)固的成巷幫，便完成了無煤柱的切頂留巷綜采作業(yè)。該技術(shù)方案的核心在于對預(yù)裂切縫高度、井下爆破參數(shù)設(shè)計和恒錨阻支護的設(shè)計。切頂留巷技術(shù)原理如

圖1 所示。

圖1 煤礦井下切頂成巷結(jié)構(gòu)示意圖

2 巷道頂板預(yù)裂縫工藝參數(shù)設(shè)計

煤礦井下巷道頂板的預(yù)裂縫高度H 可表示為[1]：

H=（H1-H2-H3）/ （k-1）

式中：H1為綜采面高度，取3.1 m；H2為綜采面頂板下沉量，取0 m；H3為綜采面頂板底鼓量，取0 m；k 為綜采面巷道頂板巖層碎脹系數(shù)，取1.41。

結(jié)合云崗礦81043 綜采面的實際情況，可知在設(shè)置頂板預(yù)裂縫時的高度為7.56 m。

預(yù)裂縫在設(shè)置時需根據(jù)便于頂板受力垮落的原則進行設(shè)計，因此在設(shè)計預(yù)裂縫的夾角時以7.56 m的高度為基礎(chǔ)，采用模擬仿真的方案對不同切縫角情況下的垂直應(yīng)力情況進行分析，結(jié)果如圖2 所示。

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)切縫分別為0°和15°時煤層內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中的位置離煤幫的距離較遠，穩(wěn)定性較好，而切縫為30°的情況下應(yīng)力集中的位置距離煤幫較近，穩(wěn)定性較差。通過對切縫為0°和15°情況下的應(yīng)力集中情況進行分析，當(dāng)切縫為15°情況下時的應(yīng)力集中情況比0°情況下的應(yīng)力集中情況小，具有更高的穩(wěn)定性，因此該預(yù)裂縫的角度設(shè)置為15°。

圖2 不同切縫角情況下的應(yīng)力分布情況

3 預(yù)裂縫爆破參數(shù)設(shè)置

在進行預(yù)裂縫爆破參數(shù)設(shè)計時，爆破藥對爆破孔的爆破效果會因爆破孔數(shù)量、爆破孔距離以及爆破藥的裝藥結(jié)構(gòu)而有所差異[2]。因此為了準確確定云崗礦81043 綜采面的爆破工藝參數(shù)，首先根據(jù)以往井下爆破工作經(jīng)驗將爆破孔的距離設(shè)置450 mm，爆破孔的數(shù)量設(shè)置為6 組。在進行爆破驗證時，采用了2+2+1+1 爆破藥結(jié)構(gòu)、3+2+1+1 爆破藥結(jié)構(gòu)、3+2+2+1 爆破藥結(jié)構(gòu)及3+3+2+2 爆破藥結(jié)構(gòu)，不同裝藥結(jié)構(gòu)下的爆破效果如圖3 所示。

圖3 不同裝藥結(jié)構(gòu)情況下的爆破效果示意圖

由實際爆破結(jié)果可知，當(dāng)采用2+2+1+1 的爆破藥結(jié)構(gòu)時，在爆破孔內(nèi)僅產(chǎn)生了極不明顯的爆破裂紋，爆破通透率不足50%，且裂紋僅產(chǎn)生在爆破孔的底部位置；當(dāng)采用3+2+1+1 的爆破藥結(jié)構(gòu)時，在爆破孔內(nèi)產(chǎn)生了較為明顯的爆破裂紋，爆破通透率達到72%，但各個爆破裂紋之間存在明顯的段差，無法形成連續(xù)的爆破裂紋；當(dāng)采用3+2+2+1 的爆破藥結(jié)構(gòu)時，在爆破孔內(nèi)產(chǎn)生了較為明顯的爆破裂紋，爆破通透率達到82%，各個爆破裂紋之間形成了較高的連續(xù)性和對稱性，僅在爆破孔管口約300 mm處存在一定的未爆破透現(xiàn)象；當(dāng)采用3+3+2+2 的爆破藥結(jié)構(gòu)時，在爆破孔內(nèi)產(chǎn)生了極為明顯的爆破裂紋，爆破通透率達到了97%，且出現(xiàn)了明顯的垮塌現(xiàn)象，對頂板表面形成了較大的破壞，影響留巷效果。因此綜合分析后采用3+2+2+1 的爆破藥結(jié)構(gòu)時具有最佳的爆破效果。

4 恒錨阻支護

為了提升煤礦井下切頂成巷及回采期間巷道的穩(wěn)定性，設(shè)置了恒錨阻支護結(jié)構(gòu)[3-4]。根據(jù)實際驗證，在原錨索支護結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行加強，第一排的支護距離巷道切縫側(cè)0.5 m，支護結(jié)構(gòu)之間的排距設(shè)置為1.5 m，第二排和第一排錨索之間的距離設(shè)置為1.6 m，排距設(shè)置為3 m。根據(jù)煤礦井下切頂成巷時的實際環(huán)境，恒錨阻的直徑為21.7 mm，最大允許變形量為24 mm，恒阻值設(shè)為300 kN，預(yù)緊力不應(yīng)小于240 kN。該恒錨阻支護結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 恒錨阻支護結(jié)構(gòu)示意圖

自該切頂留巷技術(shù)方案應(yīng)用以來，綜采工作面作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性得到了極大的提高，雖然增加了一道留巷工藝，但是從根本上解決了目前困擾礦井生產(chǎn)的采掘接替緊張問題，同時減少了煤柱損失，進一步提高了煤炭資源回收率，對礦井長遠發(fā)展具有非常重要的意義，對其他類似礦井采用留巷技術(shù)具有一定的借鑒意義。

5 結(jié)論

云崗礦采用預(yù)裂縫切頂留巷技術(shù)，積累了相關(guān)經(jīng)驗：

（1）頂板預(yù)裂縫高度為7.56 m，其角度設(shè)置為15°，能夠確保頂板及時垮落，保證成巷效果；

（2）采用3+2+2+1 的爆破藥結(jié)構(gòu)具有最佳的爆破效果，爆破孔內(nèi)能產(chǎn)生較為明顯的爆破裂紋，各個爆破裂紋之間形成了較高的連續(xù)性和對稱性；

（3）采用恒錨阻支護方案，能夠顯著提升煤礦井下切頂留巷及回采期間巷道的穩(wěn)定性；

（4）切頂留巷技術(shù)能夠提高綜采工作面作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。