億欣煤業(yè)堅硬頂板預裂爆破切頂留巷技術與試驗

李豐廷

(晉煤控股集團 晉城煤炭事業(yè)部億欣煤業(yè)，山西 沁水 048200)

長期以來，煤炭一直是我國的主要消費能源，隨著煤炭開采深度的增加，條件逐漸惡劣，從資源和安全角度出發(fā)，傳統(tǒng)的煤柱護巷技術不再適用[1-2]。為提高煤炭回收效率、改善巷道圍巖環(huán)境，我國專家提出了無煤柱護巷技術，前期專家學者的研究主要聚焦在巷旁充填護巷技術，但是由于巷旁充填護巷工序較為復雜，與采煤工序有所沖突，為此，何滿朝院士提出了將頂板長懸臂梁采用一定的技術手段切落呈短懸臂梁，該技術可有效改善巷道圍巖應力環(huán)境，目前已得到廣泛應用[3-5]。億欣煤業(yè)XV1307工作面開采15號煤層，煤層傾角為1～15°，平均7°，煤層厚度為1.68～2.87 m，平均2.24 m，煤層中含1～2層夾石，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，工作面基本頂為K2石灰?guī)r，平均厚度16.36 m，普氏系數(shù)f=8.09，屬于穩(wěn)定堅硬頂板，工作面采用一面三巷布置方式，其中，XV1214為工作面進風巷，為緩解工作面接續(xù)緊張、提高煤炭回收效率，XV1214巷計劃采用沿空留巷方式留作XV2306工作面的回采巷道使用。

1 堅硬頂板預裂爆破切頂留巷機理

切頂留巷是采用一定的技術手段將上工作面回采巷道留作下工作面使用，目前常采用的方式包括密集鉆孔和預裂爆破。預裂爆破切頂留巷是采用爆破方法，提前對回采巷道采空區(qū)側堅硬頂板巖層進行預裂，人為地在堅硬頂板巖層制造一條人造裂隙，隨工作面回采，受采動高應力影響，堅硬頂板巖層將沿著這條人造裂隙快速垮落，在此過程中基本頂或堅硬頂板巖層由長懸臂梁結構形成了短懸臂梁，實現(xiàn)了對巷道圍巖結構的改變，切斷了堅硬頂板巖層及覆巖應力傳遞。采用該技術方法主要圍繞切頂和護巷技術，其切頂技術采用預裂爆破方式，護巷技術包括恒阻大變形錨索提前補強、采動影響范圍臨時加固、采空區(qū)巷幫擋矸等，該技術可實現(xiàn)工作面自動成巷，圖1為預裂爆破切頂留巷示意。

圖1 預裂爆破切頂留巷示意

2 堅硬頂板預裂爆破切頂留巷技術

預裂爆破切頂留巷技術主要包括堅硬頂板預裂爆破技術、恒阻大變形錨索提前補強技術、采動影響范圍臨時加固技術和采空區(qū)巷幫擋矸技術。

1) 堅硬頂板預裂爆破技術。超前工作面20 m采用雙向聚能隔孔爆破方式進行堅硬頂板巖層預裂，距巷幫0.2 m處在巷道頂板向采空區(qū)側施工1排鉆孔，鉆孔間距500 mm、直徑52 mm、長度10 000 mm、封孔長度2 500 mm，每個爆破鉆孔布置6根D型聚能管、14根炸藥藥卷，每次預裂長度為7.0 m，具體參數(shù)和布置方式如圖2所示。

2) 恒阻大變形錨索提前補強技術。超前工作面50 m施工頂板恒阻大變形錨索進行補強支護，錨索設計3排，錨索規(guī)格為直徑21.8 mm、長度12 300 mm，第一排距采空區(qū)巷幫0.6 m施工，間距1.0 m；第二排距采空區(qū)巷幫1.6 m施工，間距2.0 m；第三排距采空區(qū)巷幫3.3 m施工，間距2.0 m。第一排錨索采用3.0 mm厚的W鋼帶連接，錨索托盤均采用，托盤選用300 mm×300 mm×20 mm的蝶形托盤，具體參數(shù)和布置方式見圖2。

圖2 恒阻大變形錨索和預裂爆破鉆孔布置示意(mm)

3) 采動影響范圍臨時加固技術。在超前工作面30 m至之后工作面架設1排戴帽單體柱，第一排距采空區(qū)側巷幫0.4～1.6 m，第一排距實煤體側巷幫0.8～1.6 m，排距1.0 m。

4) 采空區(qū)巷幫擋矸技術。采空區(qū)側采用U型鋼及鋼筋網(wǎng)組成的聯(lián)合擋矸，同時，兩U型鋼中間之間架設1架單體柱，使其形成一條直線布置，單體柱間距500 mm，U型鋼型號29U，采用卡蘭和連桿連成整體，具體參數(shù)和布置方式如圖3所示。

圖3 采空區(qū)巷幫側擋矸示意

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

將提出的堅硬頂板預裂爆破切頂留巷技術應用于億欣煤業(yè)XV1307工作面XV1214巷，同時監(jiān)測了超前工作面20 m到滯后工作面200 m范圍內的巷道變形情況，圖4給出了實煤體側巷道和頂?shù)装遄冃吻€。由圖可知，巷道變形大概可分為如下幾個階段：超前工作面20 m到滯后工作面20 m范圍內巷道受采動影響較小，變形相對較小，變形速度約5 mm/d；滯后工作面20～80 m范圍內巷道受采動影響明顯，出現(xiàn)劇烈變形，變形速度約20 mm/d；滯后工作面80～140 m范圍內巷道受采動影響程度降低，變形速度有所減緩，變形速度約16 mm/d；滯后工作面140 m后，變形速度進一步減緩，變形速度約2 mm/d；滯后工作面160 m后，變形逐漸趨于穩(wěn)定，巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟考s315 mm，實煤體幫部最大變形量約219 mm。從現(xiàn)場看，巷道變形均在允許范圍內，所留巷道斷面尺寸可以滿足下工作面使用，表明了堅硬頂板預裂爆破切頂留巷技術的合理性和可靠性。

圖4 巷道變形曲線

4 結 語

為提高煤炭回收率、改善巷道圍巖環(huán)境，億欣煤業(yè)XV1307工作面采用沿空留巷技術，采用爆破方法，提前預裂堅硬頂板巖層，人為構造結構裂隙，受采動高應力影響，堅硬頂板巖層由長懸臂梁結構形成了短懸臂梁，基于此，開發(fā)了堅硬頂板預裂爆破技術、恒阻大變形錨索提前補強技術、采動影響范圍臨時加固技術和采空區(qū)巷幫擋矸技術，形成了堅硬頂板預裂爆破切頂留巷技術，成功實現(xiàn)了億欣煤業(yè)XV1214巷沿空留巷。