杜現(xiàn)持 郭利鵬

（山東宏陽礦業(yè)有限公司，山東 濟寧 272400）

沿空留巷是指在順槽采空區(qū)尾巷主幫側采用高強度支護材料支撐頂板，將順槽保留下來，作為下一個綜采工作面的回采順槽。沿空留巷開采可將以往一面兩巷一煤柱開采模式調整為一面一巷無煤柱開采，減少了一條巷道的掘進作業(yè)工作量，節(jié)約了煤炭資源，延長了礦井的服務年限。該沿空留巷開采技術降低職工勞動強度，提升安全系數(shù)，改善職工現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，提高工時工效，是實現(xiàn)安全、高效、綠色、創(chuàng)新開采的新路徑，同時沿空留巷工業(yè)試驗的實施是對現(xiàn)有采煤工藝的一項重大變革。

山東宏陽礦業(yè)目前多以煤柱、薄煤層工作面為主，萬噸掘進率高，采掘關系緊張。為緩解這種局面，以“找煤增量、提質增效、精采細采”為出發(fā)點，進行優(yōu)化施工方案、減少開掘工程量、降低生產投入研究。針對12103 綜采工作面運輸巷實施“預裂爆破切頂卸壓自動成巷”沿空留巷工藝+柔?；炷林ёo，留巷作為下一工作面的回采巷道使用。在12103 工作面運輸順槽推進至120 m 時巷道發(fā)生嚴重變形，兩幫移近量大，頂板下沉及底鼓問題嚴重，留巷必須經過清底、清幫后才能在下次使用，留巷效果不佳。為有效實施該留巷技術，在借鑒沿空留巷成功經驗和做法的基礎上[1-4]，采用理論分析、數(shù)值模擬、工業(yè)性試驗相結合方法對留巷切頂卸壓開采關鍵參數(shù)切頂高度、切頂角度、切頂鉆孔間距對切頂留巷影響進行研究并對關鍵參數(shù)進行優(yōu)化設計[5-9]，確定最優(yōu)參數(shù)，使安全系數(shù)更高、成巷效果更為理想，提高留巷效果。

1 概況

山東宏陽礦業(yè)位于山東省濟寧市嘉祥縣老僧堂鎮(zhèn)，距離嘉祥縣城15 km。井田范圍內全區(qū)含可采及局部可采煤層共4 層，主要開采6、12、16、17煤層，煤炭資源儲量8 871.1 萬t，可采資源儲量3 665.2 萬t，設計生產能力45 萬t/a。采用立井開拓方式，主井井筒深度486 m，裝備一對4 t 多繩箕斗提升。井底車場水平標高-435 m，布置4 個綜采工作面，為一礦一面綜合機械化高產高效礦井，并配套建設年洗煤60 萬t 的洗煤廠。區(qū)內各煤層瓦斯含量較低，屬低瓦斯礦井，水文地質類型復雜，自然發(fā)火傾向性：Ⅲ類不易自燃，煤塵爆炸性指數(shù)44.4%。井田內各煤層除天然焦外均為氣煤，各可采煤層煤質屬低中灰、中高硫、特低磷、高發(fā)熱量、黏結性能好的氣煤，可作動力用煤，也可作為氣化用煤，工業(yè)用途極其廣泛。

12103 工作面位于12 煤一采區(qū)，東為12105 工作面，西為12102 工作面，北為-435 東翼軌道大巷。工作面切眼長246 m，走向長度1833 m，12 煤厚度0.95～2.98 m，平均2.05 m，煤層傾角2°～10°，平均7°。12103 工作面頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 頂?shù)装鍘r性情況

12103 工作面運輸順槽巷道斷面寬度5100 mm、高度3600 mm，采用高強度大尺寸柔?；炷翂橄锱灾危ㄏ锱灾ёo寬度1000 mm，高度3506 mm），混凝土強度等級C30。為了控制墻體的橫向變形，在墻體內預置錨栓。12103 工作面運輸順槽沿空留巷平面圖如圖1。

圖1 12103 工作面運輸順槽沿空留巷平面圖（mm）

2 切頂卸壓關鍵參數(shù)理論分析

為保障12103 工作面運輸順槽施工質量和安全，狠抓現(xiàn)場安全確認及敲幫問頂工作，周密做好打鉆、爆破、切頂、支護等工作。在原巷道基本支護的基礎上，再配合超前支護，加打錨桿、注漿錨索等，提高了支護強度，有效防止了巷道兩幫及頂?shù)装宓淖冃巍５钱?2103 工作面運輸順槽推進至120 m時巷道仍然發(fā)生嚴重變形、兩幫移近量巨大等問題，留巷效果不佳。為確保爆破切頂卸壓效果，在精確計算炮孔深度和間距等基礎上，對切頂卸壓關鍵參數(shù)進行理論分析并優(yōu)化，確保了沿空留巷達到預期效果。

2.1 切頂高度計算

切頂卸壓是采用爆破預裂措施實施切割頂板卸壓、支撐基本頂、隔斷老塘，留巷形成下一工作面回采巷道，有效控制成巷頂板穩(wěn)定性。切頂卸壓措施將頂板長懸臂梁有效轉變?yōu)槎虘冶哿?，可以達到對頂板應力傳遞路徑的切斷，大幅度降低回采動壓對留巷影響。切頂高度要大于冒落在采空區(qū)的垮落高度，垮落的矸石經膨脹后可填滿采空區(qū)，對頂板形成有效支撐。在切頂卸壓實施過程中切頂高度大小必須合適，如切頂高度設計過小時無法對頂板關鍵層進行有效切斷，頂板應力仍然能通過頂板長懸臂梁對留巷進行影響；如切頂高度設計過大時，則會大幅提高現(xiàn)場工作量，開采成本增加。

切頂卸壓切頂高度可按照公式（1）計算：

式中：hf為切頂高度，m；hc為工作面采高，取5.9 m；h1為頂板下沉高度，取0 m；h2為底板底鼓高度，取0 m；K為頂板巖層冒落巖石的初始碎脹系數(shù)，取1.3。不考慮頂板下沉及底板底鼓因素，計算可得hf切頂高度為19.6 m，結合實際中局部區(qū)域采高大于5.9 m 的情況，確定12103 工作面運輸順槽切頂高度為20 m。

2.2 切頂角度分析

切頂角度對礦壓顯現(xiàn)有一定的影響，切頂角度影響采空區(qū)頂板在垮落中對切頂短臂結構的動態(tài)下墜力及穩(wěn)定后對切頂短臂結構的穩(wěn)態(tài)支撐力。確定合理的預裂切頂角度是實施精準切頂卸壓的關鍵因素之一，切頂角度不同會導致覆巖垮落形態(tài)及煤柱應力大小有較大差異。在切頂卸壓實施過程中切頂角度大小必須合適，如切頂角度設計過小時則切縫處結構面摩擦力過大，上層頂板垮落效果不佳，無法有效切斷頂板應力傳遞路徑；切頂角度設計過大時，形成頂板長懸臂，破壞下方充填體。根據(jù)理論分析及12103 工作面的現(xiàn)場實際，切頂角度取20°以內較為合理。

2.3 切頂鉆孔間距分析

切頂鉆孔間距是實施精準切頂卸壓的另一關鍵因素，切頂孔間距主要根據(jù)爆破能量、頂板巖性等確定。在條形藥包爆破作用機理理論下，采用不耦合裝藥爆破裂隙圈半徑計算公式可計算得到RP為458 mm。設計采用孔間距500 mm、700 mm、900 mm、1100 mm 四種方案進行爆破切頂卸壓試驗。爆破后的鉆孔窺視結果表明：切頂鉆孔間距為500 mm 和700 mm 時，爆破孔已實現(xiàn)完全貫通，并伴隨有塌孔現(xiàn)象；切頂鉆孔間距為900 mm 時，形成的爆破切縫非常明顯，孔壁保留完整，爆破孔貫通性非常理想；切頂鉆孔間距為1100 mm 時，形成的爆破切縫非常不明顯，爆破孔貫通性變差。分析爆破試驗，根據(jù)初期爆破現(xiàn)場試驗，通過在爆破孔間鉆孔窺視頂板裂紋情況，切頂鉆孔間距采用900 mm時較為合理，爆破孔貫通性理想，切縫較為明顯。

3 切頂卸壓關鍵參數(shù)數(shù)值模擬

3.1 模型建立

根據(jù)12103 工作面工程地質條件，利用UDEC軟件建立計算模型，選用庫倫-摩爾模型，利用屈服準則來模擬應力和位移變化。模型根據(jù)巖性不同，分層建立不同巖層，巖層之間建立節(jié)理面，能較好地反映巖層的塑性變形特性。模型尺寸寬×高=220 m×118 m，對模型頂部表面施加11.8 MPa 垂直載荷，其余邊界固定約束。如圖2。

模型中運輸順槽尺寸寬×高=5100 mm×3600 mm，順槽沿煤層頂板留巷掘進，沿空留巷巷旁充填體（柔膜混凝土）寬度1500 mm，最終留巷尺寸寬×高=3600 mm×3600 mm。通過設定不同的切頂高度、切頂角度，來觀察模擬留巷效果。

3.2 切頂高度對比分析

在確定切頂角度一致（0°）的條件下，選取不同的切頂高度（0 m、12.8 m、18.4 m、21.8 m、26.3 m）進行模擬試驗，得到不同切頂高度下工作面推進時的應力云圖數(shù)據(jù)。結果顯示：切頂高度為0 m 時，頂板懸臂較長，沒有切斷頂板應力傳遞路徑，頂板來壓后側向支承應力對巷道影響非常大；當切頂高度12.8 m 時，切縫上方出現(xiàn)懸臂角，頂板來壓破斷后存在有部分懸臂情況，頂板應力傳遞路徑部分切斷但仍存有應力傳遞現(xiàn)象；當切頂高度18.4 m時，頂板來壓后頂板應力傳遞路徑明顯切斷，但出現(xiàn)有較大的空隙區(qū)間，影響留巷后期穩(wěn)定性；當切頂高度為21.8 m、26.3 m 時，兩者情況下應力區(qū)明顯切斷，空隙區(qū)間較合理，此時垮落的巖層經膨脹后可有效填滿采空區(qū)，對頂板形成有效支撐，可有效滿足卸壓要求，但切頂高度為26.3 m 時切縫頂部存在應力集中現(xiàn)象。綜上，切頂高度21.8 m較為合理。

對5 種不同切頂高度下充填體頂板垂直應力及頂板下沉量進行模擬，結果如圖3。分析表明：5種不同切頂高度下（0 m、12.8 m、18.4 m、21.8 m、26.3 m）充填體頂板垂直應力分別為22.5 MPa、20.7 MPa、20.4 MPa、19.7 MPa、19.75 MPa，頂板下沉量分別為1774 mm、999 mm、902 mm、700 mm、713 mm，充填體頂板垂直應力及頂板下沉量均表現(xiàn)為先減小后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。當切頂高度為21.8 m 時，充填體頂板垂直應力及頂板下沉量均達到最小值，繼續(xù)增加切頂高度充填體頂板垂直應力及頂板下沉量無明顯變化。綜上，切頂卸壓作業(yè)切頂高度21.8 m 為最優(yōu)。

3.3 切頂角度對比分析

在確定切頂高度一致（21.8 m）的條件下，選取不同的切頂角度（0°、5°、10°、15°、20°）進行模擬試驗，得到模擬工作面推進時的應力云圖數(shù)據(jù)。結果顯示：切頂角度0°、5°時，留巷頂板和采空區(qū)上覆巖層應力均發(fā)生明顯斷開，切頂效果較好；切頂角度10°時，留巷頂板應力區(qū)明顯增大，留巷頂板和采空區(qū)上覆巖層應力部分連接，切頂效果一般；切頂角度15°、20°時，因懸臂較長，留巷頂板和采空區(qū)上覆巖層應力已實現(xiàn)完全連接，切頂效果較差，切頂卸壓無作用。

對5 種不同切頂角度下充填體頂板垂直應力及頂板下沉量進行模擬，如圖4。

分析表明：5 種切頂角度下（0°、5°、10°、15°、20°）充填體頂板垂直應力分別為19.7 MPa、20.2 MPa、21.45 MPa、22.1 MPa、22.45 MPa，頂 板下沉量分別為700 mm、829 mm、1199 mm、1465 mm、1653 mm，充填體頂板垂直應力及頂板下沉量均表現(xiàn)為不斷增大趨勢。當切頂高度為0°時，充填體頂板垂直應力及頂板下沉量均達到最小值，但0°時的切縫處摩擦力較大，施工有難度。基于現(xiàn)場施工便利及有助于切落塊體的滑落，切頂卸壓作業(yè)切頂角度5°時為最優(yōu)。

4 工業(yè)性試驗及應用效果

12103 工作面運輸順槽實施沿空留巷，在以往支護狀態(tài)下工作面留巷推進至120 m 后巷道發(fā)生嚴重變形，巷道兩幫移近量巨大，頂板下沉及底鼓問題嚴重，頂板下沉量、底鼓量分別達到1790 mm、490 mm 左右。留巷巷道在下次使用前須進行清底、清幫整修才能正常使用。

針對12103 工作面運輸順槽沿空留巷推進中出現(xiàn)的問題，對留巷巷道頂板實施爆破切頂卸壓技術，并對切頂卸壓開采關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，確定了切頂高度設計為21.8 m，切頂角度設計為5°，切頂鉆孔間距采用900 mm。后期，對12103 工作面運輸順槽實施頂板切頂卸壓采用優(yōu)化后的關鍵參數(shù)，并對支護方式進行相應優(yōu)化。對沿空留巷進行了礦壓觀測，結果顯示：切頂卸壓后，巷道兩幫移近量減小，頂板下沉量、底鼓量分別減小至650 mm、180 mm左右，頂板下沉與底鼓問題得到了改善，留巷巷道在下次使用前無需整修即可正常使用。

5 結論

為最大限度回收煤炭資源，延長礦井服務年限，山東宏陽礦業(yè)在12103 工作面采用“切頂卸壓自成巷”技術開采，對沿空留巷推進中出現(xiàn)的問題，對留巷巷道頂板實施爆破切頂卸壓技術，理論分析、數(shù)值模擬、工業(yè)性試驗結合方法對切頂卸壓開采關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，確定了切頂高度設計為21.8 m，切頂角度設計為5°，切頂鉆孔間距采用900 mm，成功實現(xiàn)留巷450 m，留巷巷道在下次使用前無需整修即可正常使用，實現(xiàn)了無煤柱綠色高效開采的改革跨步。沿空留巷的成功實施，可以有效減少留設煤柱造成的資源浪費，使優(yōu)質煤炭資源得到合理利用，進一步減少巷道掘進及返修工程量，簡化工作面端頭維護工作量，降低工人勞動強度，為促進礦井可持續(xù)發(fā)展奠定基礎，真正實現(xiàn)了科技出效益，為礦井實現(xiàn)降本增效、轉型發(fā)展起到了積極作用。