盧志敏
（1.國(guó)家能源充填采煤技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000；
2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；
3.河北充填采礦技術(shù)有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；
4.河北省充填采煤技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邢臺(tái) 054000）
留設(shè)一定寬度的煤柱是煤礦常用的回采巷道護(hù)巷方法。但隨著煤礦開(kāi)采深度的增大，礦山壓力更加劇烈，護(hù)巷煤柱的尺寸越來(lái)越大，部分礦井達(dá)到30～50 m。該部分資源無(wú)法回收，降低了煤炭資源的回收率。同時(shí)多煤層開(kāi)采時(shí)，護(hù)巷煤柱容易引起應(yīng)力集中，影響下煤層巷道的穩(wěn)定[1-3]。因此，以沿空留巷為代表的無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)逐漸引起重視。針對(duì)不同的地質(zhì)情況，無(wú)巷旁支護(hù)[4-5]、超高水材料巷旁充填[6-7]、爆破切頂[8-9]、柔模混凝土支護(hù)[10-11]等留巷技術(shù)均取得了較好的效果。冀中能源邯礦集團(tuán)陶二礦經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，賦存條件較好的資源開(kāi)采殆盡，為提高煤炭資源回收率，在1223工作面開(kāi)展了定向預(yù)裂爆破切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的研究。
1.1 地質(zhì)生產(chǎn)條件
陶二礦1223工作面位于井底車場(chǎng)西北部，為邊角煤開(kāi)采工作面，北部為1221采空區(qū)，南部為電廠保護(hù)煤柱，東部為巖漿巖侵入注銷報(bào)損區(qū)，西部為大巷井底車場(chǎng)煤柱。工作面高-224—-178 m，地面標(biāo)高168.6—174.4 m，煤層埋深350.4～396.3 m。所采煤層為2號(hào)煤，厚度0～5.20 m，平均3.0 m，煤層頂?shù)装鍘r性如圖1所示。
圖1 1 223工作面頂?shù)装鍘r性Fig.1 Roof and floor lithology of No.1223 Face
1.2 巷道永久支護(hù)參數(shù)
1223皮帶巷掘進(jìn)期間采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂錨桿選用φ20 mm×2 400 mm的阻尼螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×900 mm，頂錨索選用φ17.8 mm×7 920 mm鋼絞線，順巷3列，隔一架3根，均勻布置。幫錨索選用φ15.24 mm×4 200 mm鋼絞線，間排距為800 mm×900 mm，幫部頂角和底角錨索距頂、底均不大于300 mm。
2.1 技術(shù)原理
傳統(tǒng)的留巷方式是在巷道內(nèi)靠近采空區(qū)側(cè)加強(qiáng)支護(hù)或者構(gòu)筑充填體，工作面回采過(guò)后，巷內(nèi)及巷旁支護(hù)共同承載頂板載荷，如果頂板垮落不及時(shí)，則采空區(qū)未垮落巖層長(zhǎng)期作用于巷內(nèi)支護(hù)體上，導(dǎo)致頂板下沉嚴(yán)重，留巷效果差。而定向預(yù)裂爆破切頂卸壓的方式則是在工作面回采過(guò)程中，采場(chǎng)前方巷道中施工爆破鉆孔，對(duì)巷道頂板進(jìn)行預(yù)切頂。使巷道頂板與工作面頂板產(chǎn)生裂縫，待工作面回采過(guò)后，采空區(qū)頂板沿裂縫回轉(zhuǎn)垮落，減少對(duì)巷內(nèi)支護(hù)體的載荷，起到較好的留巷效果，如圖2所示。
圖2 切頂留巷技術(shù)原理Fig.2 Technical principle of cutting roof retaining roadway
2.2 關(guān)鍵技術(shù)
（1）高強(qiáng)支護(hù)。沿空保留的巷道要經(jīng)歷2次采動(dòng)影響，同時(shí)采用爆破切頂?shù)南锏肋€受鉆孔爆破的影響，多次影響下，需要采用高強(qiáng)支護(hù)體及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。
（2）確定合理的切頂高度。合理的切頂高度應(yīng)能保證采空區(qū)側(cè)頂板沿預(yù)定裂縫垮落，減少對(duì)巷內(nèi)支護(hù)體的作用力，同時(shí)能夠填滿采空區(qū)，對(duì)未垮落巖層形成一定的支護(hù)作用，促進(jìn)采空區(qū)頂板的穩(wěn)定。
研究表明，沿空留巷的巷道變形具有明顯的階段性，不同區(qū)域受工作面回采產(chǎn)生的支承壓力的影響程度不同，導(dǎo)致巷道變形速率及變形量有差異，主要分為超前加固區(qū)、劇烈變形區(qū)、穩(wěn)定區(qū)等，在不同的區(qū)域應(yīng)采取不同的支護(hù)方式[12]。結(jié)合1223皮帶巷的地質(zhì)生產(chǎn)條件，確定留巷整體支護(hù)方案，如圖3所示。
圖3 切頂留巷總體方案Fig.3 Overall scheme of cutting roof retaining roadway
3.1 錨索加固
在原錨網(wǎng)索支護(hù)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)打頂錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。錨索規(guī)格為φ17.8 mm×1 000 mm，錨索間距為800 mm，錨索之間用W鋼帶連接。要求錨索漲拉力不小于40 MPa，超前工作面距離不得小于60 m。
3.2 定向爆破切頂
3.2.1 切頂高度的確定
按公式（1）計(jì)算切頂高度Hq。
式中：m為煤層厚度，m；
H1為煤層頂板下沉量，m；
H2為采空區(qū)底板底臌量，m；
K為頂板巖層的碎脹系數(shù)。
陶二礦2號(hào)煤頂板主要為砂巖，碎脹系數(shù)按1.4計(jì)算，采空區(qū)頂?shù)装逡平堪?.3 m計(jì)算，可得切頂高度為7.8 m。
3.2.2 切頂角度的確定
合理的切頂角度有利于頂板垮落。建立切頂后上覆巖層的垮落模型，如圖4所示。
圖4 垮落后采空區(qū)覆巖力學(xué)模型Fig.4 Rock mechanics model of mined-out area after caving
根據(jù)力學(xué)關(guān)系，可得到切頂角度的計(jì)算公式。式中：α為切頂角度，（°）；
R為巖塊B向下的作用力，kN；
F為巷內(nèi)支護(hù)體對(duì)頂板的作用力，kN；
T為巖塊之間水平推力，kN；
φ為巖塊之間的摩擦角，（°）。
根據(jù)1223工作面的地質(zhì)條件，代入計(jì)算可得，切頂角度為12°～17°。
3.2.3 鉆孔布置
鉆孔深度為8.0 m，間距為500 mm，與回采幫的距離為300 mm。經(jīng)優(yōu)化采用MQ130錨桿鉆機(jī)使用45 mm的專用鉆頭進(jìn)行施工，按照三維空間上與水平面成75°角，與鉆孔連線垂直。
3.2.4 裝藥結(jié)構(gòu)
為保證切頂線沿工作面推進(jìn)方向，將炸藥裝進(jìn)聚能管中。炸藥爆炸產(chǎn)生的能量通過(guò)聚能管上的聚能槽定向切割頂板，形成15 mm左右的裂縫。1223皮帶巷采用的聚能裝置為BTC-1200特制聚能管，聚能管外徑為40 mm、壁厚為2 mm，每根聚能管長(zhǎng)度為1 200 mm。所采用的炸藥為三級(jí)礦用乳化炸藥，直徑為32 mm，每卷長(zhǎng)度為300 mm。根據(jù)切頂高度，每個(gè)鉆孔使用4根聚能管，裝藥量由內(nèi)向外依次為3卷、3卷、2卷、2卷。每次爆破均是從孔底開(kāi)始安裝聚能管連續(xù)裝藥，并安設(shè)雷管和引線。每個(gè)聚能管設(shè)置一個(gè)雷管。孔口用炮泥封孔，封孔長(zhǎng)度不低于3 000 mm。
3.3 擋矸支護(hù)
靠近采空區(qū)支設(shè)礦用工字鋼掛雙層金屬網(wǎng)，工字鋼兩端用110 mm×90 mm的鋼板封閉，長(zhǎng)度視巷道高度而定，要求深入巷道底板不得小于400 mm。工字鋼與錨桿同排，支設(shè)在2根錨桿中間，間距為900 mm。工字鋼與頂板之間用木楔楔緊。工字鋼后鋪設(shè)金屬網(wǎng)。菱形網(wǎng)的長(zhǎng)度為1 000 mm，高度視巷道高度而定，高于巷道高度200 mm。金屬網(wǎng)吊掛時(shí)長(zhǎng)邊垂直巷道，用14號(hào)鐵絲將擋矸網(wǎng)與原巷道頂網(wǎng)片連接，聯(lián)網(wǎng)時(shí)第一片網(wǎng)壓第二片網(wǎng)，搭接部分500 mm，并用鐵絲單排聯(lián)接，扣距100 mm，聯(lián)網(wǎng)均為雙絲雙扣，每扣扭結(jié)不少于3圈，聯(lián)網(wǎng)絲采用14號(hào)鐵絲，依次是前片網(wǎng)壓后片網(wǎng)，網(wǎng)底部用矸石埋壓牢固，保證擋矸效果。網(wǎng)片與工字鋼之間裱褙背板，錯(cuò)落布置。工字鋼擋矸布置如圖5所示。
3.4 劇烈變形區(qū)及滯后支護(hù)
工作面回采過(guò)后，在巷道內(nèi)支設(shè)單體柱和鉸接梁對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。鉸接梁的長(zhǎng)度為800 mm，順巷布置，布置2排，間距為2 200 mm。兩梁三柱，即一梁兩柱和一梁一柱交替布置。
在穩(wěn)定區(qū)，視巷道穩(wěn)定情況回撤單體柱，改為一梁一柱或全部回撤，同時(shí)可提前對(duì)巷道進(jìn)行臥底，保證下工作面使用。
4.1 施工工藝
定向預(yù)裂爆破切頂卸壓留巷需要在工作面前方對(duì)巷道進(jìn)行加固切頂同時(shí)鉆孔爆破，在工作面與巷道連接處加強(qiáng)支護(hù)，在工作面后方采取措施擋矸，待巷道穩(wěn)定后對(duì)巷道進(jìn)行維修，以滿足二次回采的需要。
（1）超前錨索加固。工作面前方50～70 m，對(duì)工作面頂板進(jìn)行錨索加固。
（2）鉆孔爆破。超前工作面35～50 m，滯后4個(gè)鉆孔起爆，一次同時(shí)起爆3個(gè)鉆孔，每天的爆破切頂距離與推進(jìn)距離相當(dāng)。
（3）超前支護(hù)。在工作面前方超前支承壓力影響范圍內(nèi)，利用單體柱對(duì)工作面進(jìn)行超前支護(hù)，超前支護(hù)范圍不得小于20 m。
（4）劇烈變形區(qū)支護(hù)。工作面割煤后，在支架后方掛雙層金屬網(wǎng)，支設(shè)單體和工字鋼配合金屬網(wǎng)，進(jìn)行擋矸支護(hù)。該區(qū)域的支護(hù)范圍為工作面后方150 m以內(nèi)。
（5）巷道臥底修。在工作面后方150 m以外，巷道變形穩(wěn)定后，逐漸將單體柱回撤。對(duì)巷道頂板條件差、巷道仍有變形區(qū)域，采取加強(qiáng)支護(hù)措施。
4.2 切頂效果
工作面前方爆破切頂后，采用窺視儀對(duì)切頂情況進(jìn)行觀測(cè)，如圖6所示。
圖6 切頂效果觀測(cè)Fig.6 Observation of roof cutting effect
由窺視結(jié)果可以看出，鉆孔內(nèi)形成2條明顯裂隙，平行于工作面推進(jìn)方向，并且裂縫向上延伸距離較長(zhǎng)，取得了理想的切頂效果。
4.3 巷道變形觀測(cè)
在1223工作面回采過(guò)程中，在工作面前方設(shè)置測(cè)站，對(duì)巷道變形進(jìn)行觀測(cè)。從工作面前方50 m開(kāi)始，間隔50 m共設(shè)置3個(gè)測(cè)站，其中2號(hào)測(cè)站的觀測(cè)結(jié)果如圖7所示。
圖7 巷道變形觀測(cè)結(jié)果Fig.7 Observation results of roadway deformation
由圖7可以看出，在工作面前方30 m左右，受爆破及工作面回采的影響，巷道頂板首先出現(xiàn)下沉，但下沉速度和下沉量相對(duì)較小。在工作面前方10 m范圍內(nèi)，巷道變形速度明顯加快，實(shí)體煤幫幫臌速率和頂板下沉速率均超過(guò)10 mm/d。在工作面后方10 m左右，巷道變形速率明顯減小，20 m以外，巷道進(jìn)入流變狀態(tài)，變形速率保持在0.2 mm/d，最終觀測(cè)到的頂板下沉量為526 mm，實(shí)體煤幫鼓量為285 mm。巷道底臌量為310 mm，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單臥底即可滿足生產(chǎn)要求。
4.4 效益分析
（1）經(jīng)濟(jì)效益。采用沿空留巷技術(shù)減少了1條巷道的掘進(jìn)，取消了區(qū)段保護(hù)煤柱的留設(shè)，留巷成本主要為人工、爆破、加強(qiáng)支護(hù)等。經(jīng)測(cè)算，1223沿空留巷長(zhǎng)度180 m，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為650萬(wàn)元。
（2）社會(huì)效益。1223皮帶巷沿空留巷后，作為下工作面回采巷道使用，不僅回收了區(qū)段保護(hù)煤柱資源，而且有效緩解了礦井采掘接替緊張的局面，社會(huì)效益顯著。
（1）通過(guò)在采場(chǎng)前方巷道中施工爆破鉆孔，使巷道頂板與工作面頂板產(chǎn)生裂縫，待工作面回采過(guò)后，采空區(qū)頂板沿裂縫回轉(zhuǎn)垮落，減少了對(duì)巷內(nèi)支護(hù)體的載荷，保持巷道的穩(wěn)定。
（2）合理的切頂高度應(yīng)能保證采空區(qū)側(cè)頂板沿預(yù)定裂縫垮落，同時(shí)能夠填滿采空區(qū)，對(duì)未垮落巖層形成一定的支護(hù)作用，計(jì)算可得1223皮帶巷切頂高度為7.8 m。
（3）1223工作面定向預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了沿空留巷，巷道穩(wěn)定，變形量小，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
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