南陽煤礦綜放沿空留巷超前預(yù)裂切頂技術(shù)優(yōu)化

姬志朋

（山西高平科興南陽煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048400）

沿空留巷技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展有了長足的進(jìn)步，其中新型高水速凝充填沿空留巷使沿空留巷的穩(wěn)定性大幅提高[1-4]。綜放開采中巷旁充填體易變形破壞，目前多采用頂板超前預(yù)裂爆破的方式來切斷留巷頂板與采空區(qū)頂板的應(yīng)力聯(lián)系，提高留巷的穩(wěn)定性[5-7]。本文針對(duì)南陽煤礦3207 綜放工作面沿空留巷巷旁支護(hù)墻破裂、鉆入頂板的現(xiàn)象，對(duì)沿空留巷頂板超前預(yù)裂爆破切頂效果進(jìn)一步分析，并擬對(duì)3206 工作面沿空留巷頂板超前預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

1.1 煤層開采條件

南陽煤礦現(xiàn)采3#煤層，煤層平均厚度5.38 m，屬高瓦斯礦井，地質(zhì)及水文地質(zhì)類型中等，屬不易自燃煤層，煤塵無爆炸性，無沖擊地壓。工作面采用綜采放頂煤工藝。3#煤層頂?shù)装鍘r性及物理力學(xué)性質(zhì)如圖1。目前該煤層采用沿空留巷無煤柱開采，在沿空留巷超前進(jìn)行頂板預(yù)裂爆破卸壓，減弱巷旁支護(hù)墻受力。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r性

1.2 頂板圍巖條件及切頂效果

在3207 工作面順槽留巷地段礦壓顯現(xiàn)最明顯的位置施工一檢查孔，檢查孔孔深40 m。采用窺視儀進(jìn)行窺視，結(jié)果顯示：鉆孔11～13 m 頂板破碎產(chǎn)生離層，證明11 m 以下頂板有懸頂，下邊界切頂范圍不夠；32 m 處破碎、離層，證明32 m 下部存在某層巖層未折斷、有懸頂。

在3207 工作面順槽對(duì)頂板進(jìn)行了鉆孔取芯，在實(shí)驗(yàn)室測試了巖芯的物理、力學(xué)性能。試樣力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果見表1。從中可以看出頂板條件較好、強(qiáng)度較高，超前預(yù)裂不到位有可能造成頂板懸頂范圍過大的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 圍巖試樣力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果

2 沿空留巷頂板超前預(yù)裂卸壓機(jī)理

由圖2（a）、（b）可知：巷旁支護(hù)墻受到頂板的壓力由上覆巖層對(duì)巷旁支護(hù)墻的垂直應(yīng)力及采空區(qū)頂板懸頂旋轉(zhuǎn)造成的附加應(yīng)力，前者占比較小且不可改變，而頂板的旋轉(zhuǎn)壓力與頂板懸頂長度相關(guān)，因此頂板旋轉(zhuǎn)壓力是影響頂板對(duì)巷旁支護(hù)墻壓力的主要影響因素。采取切頂卸壓可以減少頂板懸頂長度，切斷與采空區(qū)上方頂板的應(yīng)力聯(lián)系，減小巷旁支護(hù)墻受到的壓力。巷旁支護(hù)墻僅承擔(dān)切頂后上部巖塊的重量，采空區(qū)上覆巖層的頂板壓力大部分由采空區(qū)矸石承擔(dān)。由于3206 皮帶順槽頂板為煤層，強(qiáng)度低，提高巷旁支護(hù)墻的支撐力會(huì)造成頂板比壓增加，巷旁支護(hù)墻更容易鉆頂。如果采取提高巷旁支護(hù)墻強(qiáng)度的措施，必須對(duì)巷道頂板煤層進(jìn)行加固，加固巷道頂板煤層難度大，費(fèi)用高，不適用。

圖2 巷旁支護(hù)墻受力示意圖

所以優(yōu)化切頂卸壓方案，為最可行的施工方案。

3 沿空留巷頂板超前預(yù)裂卸壓參數(shù)優(yōu)化

3.1 頂板預(yù)裂爆破切頂參數(shù)

（1）切頂范圍

根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果取芯測試結(jié)果看出，32 m產(chǎn)生離層，24～32 m 之間沒有明顯的弱層，證明24～32 m 之間的巖層沒有切斷產(chǎn)生懸頂，切頂?shù)纳喜窟吔鐟?yīng)為32 m。同時(shí)考慮工作面切頂范圍內(nèi)巖體垮落碎脹后能夠有效充填采空區(qū)，進(jìn)而對(duì)采空區(qū)上覆巖層起到必要支撐作用，減緩成巷上覆巖的下沉及回轉(zhuǎn)變形。參考文獻(xiàn)[8]中給出了復(fù)合頂板切頂高度為：

式中：HF為切頂高度，m；HM為煤層采高，取4.66 m；△H1為頂板下沉量，m；△H2為底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)，頂板砂質(zhì)泥巖碎脹系數(shù)取1.4，頂板穩(wěn)定后，冒落矸石的殘余碎脹系數(shù)1.1～1.2，試驗(yàn)中取1.15。不考慮頂板下沉量和底鼓量，計(jì)算得HF=31.1 m。

綜上，切頂高度取32 m。

（2）切頂角度

切頂鉆孔的上傾角越大，頂板下沉量越小，巷旁支護(hù)墻的承載力越小，切頂鉆孔上傾角超過80°時(shí)，影響變小。

（3）爆破參數(shù)

本次爆破施工，采用3#礦用乳化炸藥。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，確定不耦合系De=1.5，確定鉆孔直徑db=75 mm。根據(jù)計(jì)算的不耦合系數(shù)及鉆孔直徑，可以計(jì)算藥卷直徑為：

聚能管采用深孔預(yù)裂爆破聚能管。聚能管由主體管、連接套筒、定位裝置3 部分組成。主體管采用非金屬圓管制造，長度2000 mm，外徑Φ50 mm，壁厚2.5 mm，內(nèi)徑Φ45 mm，為藥卷直徑。在管的兩側(cè)對(duì)稱切槽，切槽長度與聚能管長度一致，切槽寬度5 mm，切槽深度1.5 mm。聚能管的上、下兩端分別設(shè)置有1 個(gè)對(duì)穿定位孔。每米鉆孔線裝藥量為1.59 kg/m，炮孔間距取1.5 m。

3.2 頂板預(yù)裂爆破切頂方案

在工作面前方進(jìn)行頂板預(yù)裂爆破切頂卸壓，鉆孔連線平行于2306 皮帶巷中心線，與中心線距離1500 mm，偏向3206 工作面方向，孔間距1 m。采用深孔+淺孔組合的形式：長鉆孔上傾角84°，與巷道中心線夾角垂直，炮孔深度32 m，直徑75 mm，藥卷直徑50 mm，不耦合系數(shù)1.5，長孔裝藥長度20 m，封泥長度12 m；短鉆孔上傾角76°，與巷道中心線夾角垂直，炮孔深度12 m，直徑75 mm，藥卷直徑50 mm，不耦合系數(shù)1.5，裝藥長度4 m，封泥長度8 m?？咨? m 爆破點(diǎn)距巷旁支護(hù)墻采空區(qū)側(cè)外邊0.5 m，孔深32 m 爆破點(diǎn)距巷旁支護(hù)墻采空區(qū)側(cè)外邊3.5 m。爆破方案如圖3。

圖3 爆破方案圖（m）

3.3 頂板預(yù)裂爆破切頂方案現(xiàn)場實(shí)踐

上述頂板預(yù)裂爆破優(yōu)化切頂方案在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)3206 工作面比3207 工作面沿空留巷效果有明顯的改善，但也存在以下問題：（1）巷旁支護(hù)墻澆筑前頂煤破碎；（2）預(yù)裂爆破時(shí)封孔炮泥沖出。將爆破后鉆孔中的封孔炮泥沖洗掉，對(duì)鉆孔進(jìn)行窺視，結(jié)果如圖4。由圖4 可知，長短鉆孔在頂煤內(nèi)均出現(xiàn)裂隙，在頂煤以上的直接頂巖層均保持完整，所以頂煤破碎原因一方面是煤層強(qiáng)度低，另一方面是爆破震動(dòng)對(duì)頂煤的影響。在長短鉆孔爆破段（短鉆孔10 m、長鉆孔14 m 處）鉆孔向四周開裂，并沒有將鉆孔沿鉆孔連線方向劈裂成縫。因此取消短鉆孔，增加長鉆孔裝藥長度，不再施工短鉆孔，將長鉆孔的裝藥長度由20 m 增加為22 m。

圖4 鉆孔窺視圖

爆破時(shí)封孔炮泥容易沖出鉆孔，是受到頂板淋水等原因造成的。因此不再采用裝炮泥封孔袋封孔，采用注漿材料封孔。

4 沿空留巷圍巖監(jiān)測

現(xiàn)場對(duì)留巷圍巖移近量、錨索壓力及頂板離層進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5。由圖5（a）可知：測點(diǎn)離工作面后方259 m 時(shí)頂?shù)装逡平窟_(dá)到最大值25 cm，煤柱側(cè)幫最大移近量為8.5 cm。巷旁支護(hù)墻移近量均不足1 cm，未繪圖于表中。由圖5（b）可知：3 m 淺基點(diǎn)頂板離層測值最大值為0.6 cm；9 m 深基點(diǎn)頂板離層測值最大值為1.6 cm；頂板離層主要發(fā)生在頂板0～3 m 范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)發(fā)生在頂煤與直接頂之間，3～9 m 頂板高度范圍內(nèi)巖層幾乎沒有發(fā)生離層，間接證明了沿空留巷的大結(jié)構(gòu)保持完整，沒有受到破壞。錨索工作阻力觀測變化值如圖5（c），由圖可知：到工作面后方82 m 處時(shí)，錨索工作阻力達(dá)到最大值50 MPa，此后錨索工作阻力下降，并趨于穩(wěn)定。表明巷道在工作面后方80～100 m 范圍內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定。綜上，留巷圍巖變形量較小，圍巖穩(wěn)定性較好，說明頂板預(yù)裂爆破切頂能有效切段采空區(qū)頂板的應(yīng)力傳遞。

圖5 現(xiàn)場監(jiān)測

5 結(jié)論

（1）根據(jù)鉆孔窺視，3207 工作面沿空留巷切頂后頂板有懸頂；物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明頂板條件較好、強(qiáng)度較高。

（2）根據(jù)沿空留巷頂板超前預(yù)裂卸壓作用機(jī)制，對(duì)3206 工作面沿空留巷頂板超前預(yù)裂卸壓參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過現(xiàn)場炮孔鉆孔窺視對(duì)參數(shù)進(jìn)一步改良。通過現(xiàn)場監(jiān)測顯示，巷道圍巖穩(wěn)定性較好，說明沿空留巷頂板超前預(yù)裂卸壓較好。