趙華亮

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司方山店坪煤礦，山西 方山 033100）

近年來(lái)，隨著能源需求量的增加，礦井開(kāi)采強(qiáng)度也隨之增大。在資源量一定的情況下，只有提高回采率才可以獲得更多的煤炭資源。目前大部分礦井還是采用相鄰工作面回采巷道之間留設(shè)保安煤柱的方法，來(lái)保證下一工作面的正常開(kāi)采。留設(shè)保安煤柱不僅造成煤炭資源的浪費(fèi)，煤柱內(nèi)部還容易造成應(yīng)力集中，引發(fā)巷道大變形以及安全事故的發(fā)生[1]。何滿(mǎn)潮院士創(chuàng)新性地提出了切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)，即在回采巷道內(nèi)使用恒阻錨索支護(hù)，支護(hù)結(jié)束施工爆破鉆孔，進(jìn)行聚能爆破，在巷道上方形成一預(yù)裂面，切斷巷道上方頂板應(yīng)力傳導(dǎo)路徑，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)成巷無(wú)煤柱卸壓開(kāi)采[2-3]。

1 概況

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)店坪煤礦，位于山西省大武鎮(zhèn)，井田面積約13.5 km2?，F(xiàn)開(kāi)采9#煤層，煤層厚度2.8～3.4 m，均厚3.1 m，近水平煤層，全區(qū)穩(wěn)定可采。9-100 工作面面長(zhǎng)220 m，走向長(zhǎng)度1 203 m；工作面開(kāi)采位于+830 水平，埋深225～360 m。

為提高9#煤層采出率，擬在9-100 工作面回風(fēng)巷應(yīng)用切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)。設(shè)計(jì)巷道為9-100 工作面回風(fēng)巷，巷道尺寸4.8 m×3.0 m，巷道長(zhǎng)度1 088 m。

9-100工作面頂?shù)装鍘r性情況見(jiàn)表1。

表1 9-100 工作面煤層頂?shù)装鍘r性情況

2 切頂卸壓

目前，切頂卸壓主要采用聚能爆破技術(shù)，即在巷道內(nèi)向采空區(qū)側(cè)頂板中布置一系列炮眼，爆破后形成切縫面，頂板將沿該切縫面滑落形成巷幫。由于巖石具有碎脹性，若切縫面沿巷幫垂直向上，既不利于采空區(qū)頂板垮落，又會(huì)影響巷道頂板穩(wěn)定性。故切頂裂縫的方向與垂直頂板方向應(yīng)存在一定角度，稱(chēng)為切頂角度[4]。而切縫面的高度和角度正是切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)中的關(guān)鍵參數(shù)，選取合理的切頂高度和切縫角度，不僅可以及時(shí)垮落采空區(qū)頂板，令破碎巖石充滿(mǎn)采空區(qū)，還能支撐頂板覆巖，減少采空區(qū)懸露面積，減弱礦山壓力的顯現(xiàn)；而且由于采空區(qū)與留巷上方間的頂板被切斷，同時(shí)導(dǎo)致頂板之間的應(yīng)力傳遞路徑也被切斷，從而降低了巷道的圍巖應(yīng)力，最終達(dá)到卸壓目的。

2.1 切頂高度

切頂高度，指通過(guò)聚能爆破技術(shù)，切割采空側(cè)巷道頂板，所生成切縫的深度，也就是切縫最深處與留巷頂板間的距離。合理的切頂高度，讓垮落下的矸石對(duì)上覆回轉(zhuǎn)變形的鉸接巖塊起到良好的支撐作用，為所留巷道提供低應(yīng)力環(huán)境。

直接頂初次跨落后，垮落的破碎巖層無(wú)序排列，力學(xué)性質(zhì)與散體類(lèi)似。受巖石碎脹性的影響，破碎巖體堆積后的高度，會(huì)大于原來(lái)直接頂巖層的厚度。巖石碎脹系數(shù)，與巖石破碎后的塊體大小、排列方式有關(guān)。工作面回采后巖層垮落堆積情況見(jiàn)圖1。

圖1 直接頂初次垮落后采空區(qū)空間

若直接頂厚度為h，則垮落后的破碎巖塊堆積高度為Kh，堆積體與老頂之間的空隙A為：

式中：A為堆積體與老頂之間的空隙高度；h為直接頂巖層的厚度；HC為煤層開(kāi)采高度；K為巖石碎脹系數(shù)。

在式（1）中，若令A(yù)=0，即冒落的破碎巖塊充滿(mǎn)采空區(qū)，則：

合理的切頂高度，需滿(mǎn)足破碎巖塊堆積壓實(shí)后，可以有效支撐上覆頂板形成的“大結(jié)構(gòu)”，即垮落的巖石可以充滿(mǎn)采空區(qū)，所以切縫深度D 為：

式中：H1為頂板下沉量，m；H2為底板底鼓量，m；K為巖石碎脹系數(shù)，一般頂板巖體取1.3～1.5。

針對(duì)9-100 工作面，若不考慮頂板的下沉、底板的上鼓，煤層采高取3.1 m，依據(jù)頂板巖性特征，巖石碎脹系數(shù)K取1.4，按式（3）計(jì)算可得D=7.75 m，由于該切縫帶有一定角度，垂直深度為7.75 m，換算成傾斜切縫深度為8.02 m，考慮到巖層厚度的變化情況，D值取8 m。

2.2 切頂角度

切頂角度是切縫線(xiàn)與采空區(qū)側(cè)豎直方向的夾角，合理的切頂角度，不僅可以避免覆巖在滑落時(shí)產(chǎn)生較大的阻力，還能產(chǎn)生較好的卸壓效果。

假設(shè)頂板切縫后形成鉸接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)關(guān)系見(jiàn)圖2。當(dāng)鉸接結(jié)構(gòu)形成后，塊體B將會(huì)向下滑落，但由于受到水平擠壓力TA的作用，塊體A會(huì)對(duì)塊體B產(chǎn)生摩擦阻力fk，其值為：

圖2 巖塊咬合處的平衡

而塊體B在接觸面產(chǎn)生的下滑力fh為：

若fh≥fk，則鉸接咬合處發(fā)生滑落失穩(wěn)，即：

當(dāng)切縫角度θ1滿(mǎn)足式（4）的條件時(shí)，頂板形成的鉸接結(jié)構(gòu)在切頂作用下，必然會(huì)沿著切縫面發(fā)生滑落。依據(jù)9#煤層地質(zhì)條件，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到老頂?shù)膬?nèi)摩擦角Φ為32°，經(jīng)計(jì)算G2=250 kN，TA=800 kN，最終求θ1≥14.65°。

結(jié)合以往現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)節(jié)，選定合理的切頂角度為15°。切頂卸壓方案見(jiàn)圖3。

圖3 切頂卸壓方案

2.3 爆破工藝

爆破采取雙向聚能爆破技術(shù)，將爆破孔布置在采空區(qū)側(cè)巷道與頂板夾角處，炮孔孔徑48 mm，間距500 mm。在每個(gè)鉆孔中安裝4 根BTC-1500 型聚能管，聚能管外徑42 mm，內(nèi)徑36.5 mm，長(zhǎng)度1 500 mm，并將聚能管放置在鉆孔底部。使用三級(jí)礦用乳化炸藥，炸藥規(guī)格為Φ35 mm×200 mm/卷，每孔5 卷，孔口采用炮泥封孔，封孔長(zhǎng)度2.5 m，炮孔布置方式見(jiàn)圖4。

圖4 炮孔布置方式

3 工程應(yīng)用

3.1 施工方案

基于以上切頂及爆破參數(shù)，對(duì)9-100 工作面回風(fēng)巷采空區(qū)側(cè)頂板進(jìn)行爆破切縫施工。根據(jù)方案設(shè)計(jì)，施工的回風(fēng)巷長(zhǎng)度1 088 m，施工位置為超前工作面50 m范圍之內(nèi)，并隨工作面的推進(jìn)持續(xù)使用鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔布置在同一直線(xiàn)上。采用聚能拉張切縫爆破方法，爆破后及時(shí)對(duì)爆破效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析。

3.2 巷道觀測(cè)

為驗(yàn)證護(hù)巷效果，對(duì)該工作面回采過(guò)程中實(shí)施巷道頂?shù)装逡平勘O(jiān)測(cè)、兩幫移近量監(jiān)測(cè)。

（1）巷道頂?shù)装逡平?/p>

使用YHU200 型頂?shù)装逡平勘O(jiān)測(cè)儀對(duì)9-100工作面回風(fēng)巷300 m范圍內(nèi)的巷道頂?shù)装逡平窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，10 m安設(shè)一個(gè)測(cè)站，共安設(shè)30 個(gè)測(cè)站。監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖可以看出工作面回風(fēng)巷道頂?shù)装逡平吭?00 mm左右，超前工作面距離越遠(yuǎn)，頂?shù)装逡平吭叫。?dāng)超前工作面距離大于20 m后，巷道表面位移極小，基本不受工作面回采的影響； 最大頂?shù)装逡平砍霈F(xiàn)在工作面后方140 m處，約為280 mm，處于安全范圍之內(nèi)。這是因?yàn)楣ぷ髅婧蠓?40 m后上覆巖層運(yùn)動(dòng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，巷道圍巖變形進(jìn)入穩(wěn)定階段，護(hù)巷效果良好。

圖5 頂?shù)装逡平壳€(xiàn)

（2）巷道兩幫移近量

同樣在工作面回風(fēng)巷300 m范圍內(nèi)對(duì)巷道兩幫移近量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，10 m安設(shè)一個(gè)測(cè)站，共安設(shè)30 個(gè)測(cè)站。監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。在回采工作面后方30 m范圍內(nèi)，圍巖變形最為劇烈，靠近工作面附近兩幫移近量均達(dá)60 mm，但由于該范圍內(nèi)進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)，故巷道斷面收縮較小，滿(mǎn)足安全生產(chǎn)的需要；工作面后方30～140 m范圍內(nèi)，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，主要是經(jīng)歷了前期的巷道圍巖強(qiáng)變形階段后，積聚于巖石中的能量已經(jīng)逐漸釋放。工作面前方20 m后，兩幫移近量很小，不受回采影響。

圖6 兩幫移近量曲線(xiàn)

4 效果分析

1）監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道頂?shù)装遄畲笞冃渭s280 mm，兩幫最大移近量約300 mm； 滯后工作面140 m左右，頂板和兩幫變形不再變化；留巷穩(wěn)定，可以滿(mǎn)足下一工作面正?；夭伞，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了所留回風(fēng)巷的可靠性，圍巖變形可控，護(hù)巷效果良好。

2）9-100工作面回風(fēng)巷應(yīng)用切頂卸壓無(wú)煤柱護(hù)巷開(kāi)采技術(shù)后，能回收約0.026 Mt煤炭資源，獲得1 040 萬(wàn)元效益的同時(shí)，依2019年煤巷掘進(jìn)成本8 500 元/m計(jì)算, 也可節(jié)約924.8 萬(wàn)元掘進(jìn)成本，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

5 結(jié)語(yǔ)

1）以店坪煤礦9-100 工作面開(kāi)采為工程實(shí)例，通過(guò)理論計(jì)算確定切頂高度8 m，切頂角度為偏向采空區(qū)側(cè)15°，并在該工作面回風(fēng)巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2）通過(guò)對(duì)回風(fēng)巷頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平繉?shí)測(cè)，巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟考s280 mm，頂?shù)装鍓嚎s率約為9%，兩幫的最大移近量約為300 mm，兩幫壓縮率約為6%，均在安全范圍之內(nèi)。實(shí)踐表明，切頂卸壓技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)選取科學(xué)、合理，留巷穩(wěn)定可靠。

3）該工作面采用切頂卸壓無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)后，能多回收約2.6 萬(wàn)t煤炭資源，獲得1 040 萬(wàn)元效益的同時(shí)，可節(jié)約924.8 萬(wàn)元巷道掘進(jìn)成本，效益可觀。

4）對(duì)沿空留巷技術(shù)進(jìn)行了有益探索，也可為類(lèi)似礦井提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。