厚硬頂板爆破切頂沿空留巷工程實踐

劉成偉 高 魁

(1.安徽理工大學能源與安全學院；2.淮南礦業(集團)有限責任公司；3.平安煤礦瓦斯治理國家工程研究中心有限責任公司)

厚硬頂板爆破切頂沿空留巷工程實踐

劉成偉1,2,3高 魁1

(1.安徽理工大學能源與安全學院；2.淮南礦業(集團)有限責任公司；3.平安煤礦瓦斯治理國家工程研究中心有限責任公司)

厚硬頂板條件對沿空留巷非常不利，大面積頂板突然冒落對充填墻體產生沖擊破壞，懸頂還會使留巷墻體長期處于集中應力作用下，加大了留巷圍巖變形和留巷難度。通過在工作面前方實施頂板預裂爆破，在工作面后方爆破切頂控制留巷側向懸頂長度，保證了堅硬厚層頂板條件下沿空留巷的順利實施。

厚硬頂板 沿空留巷 爆破 切頂

無煤柱Y型通風沿空留巷，解決了U型通風工作面上隅角瓦斯積聚超限難題，取消了區段煤柱，改善了工作面作業環境，是深部煤炭安全高效開采的關鍵技術。在堅硬頂板條件下沿空留巷時，煤層頂板強度高，巖層節理和裂隙不發育，頂板整體性好，回采后容易造成大面積的懸頂。尤其是厚硬頂板條件下采場，礦山壓力顯現極為劇烈，在煤層回采后往往形成大面積懸頂。懸頂突然斷裂會給采場造成嚴重的沖擊破壞，甚至會誘發礦震。厚硬頂板條件對沿空留巷也非常不利，懸頂會形成小結構支撐應力場，使留巷墻體長期處于集中應力作用下，加大了留巷圍巖變形和留巷難度。因此，需要對厚硬頂板條件下的留巷進行力學分析，以便采取相應措施，降低留巷難度和成本[1-3]。

1 沿空留巷墻體受力分析

沿工作面傾向剖面，工作面回采后采空側上覆巖體的斷裂如圖1所示。對于堅硬厚層頂板直覆條件，巖塊B在采空側容易形成懸臂結構，在巷道周圍尤其是墻體上方易形成高支承壓力，且只要懸臂不破斷，此高支承壓力將長期存在，巷道將出現大變形，不能滿足使用要求。對巖塊B進行受力分析，側向懸頂懸臂梁力學模型如圖2所示[4-6]。

圖1 沿空留巷側向頂板破斷示意

充填墻體支護強度P1與懸頂長度l關系如下：

(1)

其中，

圖2 側向懸頂懸臂梁力學模型

(2)

(3)

式中,Mmax為基本頂側向懸頂懸臂的極限彎矩，N·m；m為煤層采高，m；A1為側壓系數；c0為煤層與頂底板巖層交界面的黏聚力，N；φ0為煤層與頂底板巖層交界面的內摩擦角,(°)；P0為煤幫的支護強度，N/m2；Rt為頂板巖層的抗拉強度，Pa；h為堅硬直接頂巖層厚度，m;M為直接頂極限彎矩，N·m。

可見，充填墻體支護強度與懸頂長度成二次冪的關系，充填墻體支護強度受懸頂長度影響很大，減小懸臂長度能顯著減小切斷基本頂的墻體強度。

2 沿空留巷工程實踐

2.1 工作面地質概況

某礦沿空留巷試驗巷道為工作面回風巷，采深312～364 m，煤層厚度為0.8～1.9 m，平均厚度約1.6 m，屬薄煤層。受褶曲和斷層影響，煤層傾角變化較大，為4°～12°，直接頂板為灰～灰黑色薄層狀中細粒砂巖，厚度約10 m。往上依次為灰色中粒砂巖，厚度8.0 m；灰黑色砂質泥巖，厚度12～18 m。直接底板為黑色砂質泥巖，厚1.6 m。往下依次為黑色條帶狀中細粒砂巖，厚度6.0～10 m；灰白色中粒砂巖，厚度18 m；黑色泥巖，厚30 m。屬厚層堅硬頂板直接覆蓋條件。

2.2 工作面前方頂板預裂爆破

在工作面前方采用深孔爆破，對8 m厚中粒砂巖基本頂進行預裂，增加基本頂內裂隙，降低基本頂強度，使采后頂板容易冒落，發揮冒落矸石的墊層效應，降低墻體載荷。炮孔布置方式根據基本頂的高度和厚度、節理及層理裂隙產狀、工作面傾角及傾斜長度、采煤方法及采高、支護方式及支護強度、工作面初次來壓及周期來壓的步距、鉆孔機具的性能、炸藥爆破性能等因素確定。采用巷道雙向鉆孔法布置炮孔，即在工作面回風巷與進風巷同時向頂板巖體內打孔(圖3)，每一組包含基本頂切斷孔(炮孔1、2、3、4、5、7、8)、端頭切斷孔(炮孔6)。炮孔布置參數見表1。

圖3 工作面前方頂板預裂爆破孔布置

表1 炮孔布置參數

2.3 工作面后方爆破切頂

留巷后，在工作面前方頂板預裂爆破基礎上，采用爆破切頂精確控制留巷側向懸臂長度，優化留巷區域應力場。爆破施工具體參數見圖4及表2。

圖4 爆破切頂沿空留巷炮孔布置

2.4 沿空留巷圍巖控制效果

2.4.1 巷道表面位移分析

工作面后方圍巖變形情況如圖5所示。從圖5可知，工作面后方頂板下沉量、底鼓量、充填體變形量、非回采側變形量分別達到148，260，240，195mm。留巷兩幫變形以充填側為主，頂底板移近以底鼓為主。巷道圍巖穩定后，巷道底鼓量、充填側變形量分別比頂板下沉量和非回采側變形量多112，45 mm，巷道底鼓量、充填側變形量分別占頂底板移近量、兩幫移近量的64%、55%，巷道圍巖變形呈現不均衡性。

表2 沿空留巷區域應力控制炮孔參數

圖5 工作面后方留巷圍巖變形

2.4.2 圍巖深部位移分析

留巷幫部圍巖深部位移觀測曲線如圖6所示。

圖6 留巷幫部圍巖深部位移觀測曲線

2，4，6，8，10，12 m測點范圍內的圍巖最大累計位移量分別為9，10，30，40，27，39 mm。工作面后方110m之內，4m處測點位移量比較小，最大位移只有10 mm，表明幫部2.4 m長錨桿較好地控制了錨桿錨固范圍內圍巖的離層發育，4 m以外各測點位移相差不大，最大值達到40 mm，說明幫部離層基本上發生在4 m以外，也就是說發生在錨桿錨固區外。

2.4.3 留巷效果巷道經歷了回采階段、充填留巷穩定階段，留巷后巷道圍巖基本保持完整，墻體整體維護效果良好，留巷斷面達到10～11 m2，滿足了預期的留巷要求。

3 結 論

(1)分析了采場側向頂板結構的穩定性，得出了厚硬頂板條件下的留巷墻體支護強度計算公式。充填墻體支護強度P1與懸頂長度l成二次冪關系，受懸頂長度影響很大，減小懸臂長度能減小切斷直接頂時的墻體支護強度。

(2)通過工作面前方頂板預裂爆破及工作面后方爆破切頂兩種切頂卸壓方法，控制留巷側向懸頂長度，發揮冒落矸石支撐作用，控制老頂的回轉和下沉變形，減緩大跨度懸頂對墻體的支承壓力，防止長距離、大面積堅硬厚層頂板突然垮落對墻體的沖擊作用，保證了堅硬厚層頂板條件下沿空留巷的順利實施。

[1] 朱永鵬,畢思峰,宋成偉.堅硬頂板條件沿空留巷技術研究及應用[J].煤炭工程,2011(10):65-71.

[2] 劉書粱.堅硬頂板超前預裂爆破技術在沿空留巷中的應用[J].煤礦開采,2013,18(2):79-81.

[3] 張創業,吳建宇.堅硬頂板強制切頂技術在保護層開采中的應用[J].能源技術與管理,2014,39(2):83-84.

[4] 張 羽,潘躍文.堅硬無直接頂沿空留巷圍巖穩定性控制研究[J].煤炭科技,2012(1):14-17.

[5] 華心祝,馬俊楓,許庭教.沿空留巷巷旁錨索加強支護與參數優化[J].煤炭科學技術,2004,32(8):60-64.

[6] 高 魁,劉澤功,劉 健，等.深孔爆破在深井堅硬復合頂板沿空留巷強制放頂中的應用[J].巖石力學與工程學報,2013,32(8):1588-1594.

·記者在線·

行情不濟 鐵礦價格或一直“頹勢”

2015年以來，鐵礦價格已經下跌超過32%。鐵礦石最高價格出現在1月6日的71.38美元/t，最低價格是7月8日的45.13美元/t。10月中旬以來，鐵礦石價格一路下跌。僅僅在10月份，鐵礦石價格下跌幅度就超過12%。有觀點認為此次下跌或是一次深度下跌，甚至存在突破40美元/t的可能。

Practice of Thick and Hard Roof Caving with Blasting in Gob-side Entry Retaining

Liu Chengwei1,2,3Gao Kui1

(1.College of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology;2. Huainan Mining (Group) Co.,Ltd.;3.National Engineering Research Center for Coal Gas Control Co.,Ltd.)

The condition of thick and hard roof is bad for gob-side entry retaining,the large area of roof sudden caving can generate impact breakage to the filling wall, the roof hanging can also make the wall under the effects of stress concentration for a long time, which increase the deformation of the surrounding rock and the difficulty of gob-side entry retaining. Through roof pre-splitting blasting in front of working face, and the length of lateral cantilever controlled by blasting behind the working face, the gob-side entry retaining can be conducted smoothly under the condition of thick and hard roof.

Thick and hard roof， Gob-side entry retaining, Blasting, Roof cutting

2015-06-23)

劉成偉(1984—)，男，工程師，232001 安徽省淮南市。