南陽煤礦綜放沿空留巷超前預裂切頂技術優化

姬志朋

（山西高平科興南陽煤業有限公司，山西 晉城 048400）

沿空留巷技術經過多年的發展有了長足的進步，其中新型高水速凝充填沿空留巷使沿空留巷的穩定性大幅提高[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裂爆破的方式來切斷留巷頂板與采空區頂板的應力聯系，提高留巷的穩定性[5-7]。本文針對南陽煤礦3207 綜放工作面沿空留巷巷旁支護墻破裂、鉆入頂板的現象，對沿空留巷頂板超前預裂爆破切頂效果進一步分析，并擬對3206 工作面沿空留巷頂板超前預裂爆破技術進行優化。

1 工程概況

1.1 煤層開采條件

南陽煤礦現采3#煤層，煤層平均厚度5.38 m，屬高瓦斯礦井，地質及水文地質類型中等，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#煤層頂底板巖性及物理力學性質如圖1。目前該煤層采用沿空留巷無煤柱開采，在沿空留巷超前進行頂板預裂爆破卸壓，減弱巷旁支護墻受力。

圖1 煤層頂底板巖性

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。采用窺視儀進行窺視，結果顯示：鉆孔11～13 m 頂板破碎產生離層，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 工作面順槽對頂板進行了鉆孔取芯，在實驗室測試了巖芯的物理、力學性能。試樣力學性質測試結果見表1。從中可以看出頂板條件較好、強度較高，超前預裂不到位有可能造成頂板懸頂范圍過大的風險。

表1 圍巖試樣力學性質測試結果

2 沿空留巷頂板超前預裂卸壓機理

由圖2（a）、（b）可知：巷旁支護墻受到頂板的壓力由上覆巖層對巷旁支護墻的垂直應力及采空區頂板懸頂旋轉造成的附加應力，前者占比較小且不可改變，而頂板的旋轉壓力與頂板懸頂長度相關，因此頂板旋轉壓力是影響頂板對巷旁支護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，切斷與采空區上方頂板的應力聯系，減小巷旁支護墻受到的壓力。巷旁支護墻僅承擔切頂后上部巖塊的重量，采空區上覆巖層的頂板壓力大部分由采空區矸石承擔。由于3206 皮帶順槽頂板為煤層，強度低，提高巷旁支護墻的支撐力會造成頂板比壓增加，巷旁支護墻更容易鉆頂。如果采取提高巷旁支護墻強度的措施，必須對巷道頂板煤層進行加固，加固巷道頂板煤層難度大，費用高，不適用。

圖2 巷旁支護墻受力示意圖

所以優化切頂卸壓方案，為最可行的施工方案。

3 沿空留巷頂板超前預裂卸壓參數優化

3.1 頂板預裂爆破切頂參數

（1）切頂范圍

根據鉆孔窺視結果取芯測試結果看出，32 m產生離層，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生懸頂，切頂的上部邊界應為32 m。同時考慮工作面切頂范圍內巖體垮落碎脹后能夠有效充填采空區，進而對采空區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變形。參考文獻[8]中給出了復合頂板切頂高度為：

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，頂板砂質泥巖碎脹系數取1.4，頂板穩定后，冒落矸石的殘余碎脹系數1.1～1.2，試驗中取1.15。不考慮頂板下沉量和底鼓量，計算得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，巷旁支護墻的承載力越小，切頂鉆孔上傾角超過80°時，影響變小。

（3）爆破參數

本次爆破施工，采用3#礦用乳化炸藥。根據現場實際情況，確定不耦合系De=1.5，確定鉆孔直徑db=75 mm。根據計算的不耦合系數及鉆孔直徑，可以計算藥卷直徑為：

聚能管采用深孔預裂爆破聚能管。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，內徑Φ45 mm，為藥卷直徑。在管的兩側對稱切槽，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、下兩端分別設置有1 個對穿定位孔。每米鉆孔線裝藥量為1.59 kg/m，炮孔間距取1.5 m。

3.2 頂板預裂爆破切頂方案

在工作面前方進行頂板預裂爆破切頂卸壓，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1.5，裝藥長度4 m，封泥長度8 m?？咨? m 爆破點距巷旁支護墻采空區側外邊0.5 m，孔深32 m 爆破點距巷旁支護墻采空區側外邊3.5 m。爆破方案如圖3。

圖3 爆破方案圖（m）

3.3 頂板預裂爆破切頂方案現場實踐

上述頂板預裂爆破優化切頂方案在現場進行實踐，發現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）巷旁支護墻澆筑前頂煤破碎；（2）預裂爆破時封孔炮泥沖出。將爆破后鉆孔中的封孔炮泥沖洗掉，對鉆孔進行窺視，結果如圖4。由圖4 可知，長短鉆孔在頂煤內均出現裂隙，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度低，另一方面是爆破震動對頂煤的影響。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 沿空留巷圍巖監測

現場對留巷圍巖移近量、錨索壓力及頂板離層進行監測，監測數據如圖5。由圖5（a）可知：測點離工作面后方259 m 時頂底板移近量達到最大值25 cm，煤柱側幫最大移近量為8.5 cm。巷旁支護墻移近量均不足1 cm，未繪圖于表中。由圖5（b）可知：3 m 淺基點頂板離層測值最大值為0.6 cm；9 m 深基點頂板離層測值最大值為1.6 cm；頂板離層主要發生在頂板0～3 m 范圍內，預計發生在頂煤與直接頂之間，3～9 m 頂板高度范圍內巖層幾乎沒有發生離層，間接證明了沿空留巷的大結構保持完整，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，錨索工作阻力達到最大值50 MPa，此后錨索工作阻力下降，并趨于穩定。表明巷道在工作面后方80～100 m 范圍內壓力趨于穩定。綜上，留巷圍巖變形量較小，圍巖穩定性較好，說明頂板預裂爆破切頂能有效切段采空區頂板的應力傳遞。

圖5 現場監測

5 結論

（1）根據鉆孔窺視，3207 工作面沿空留巷切頂后頂板有懸頂；物理力學實驗表明頂板條件較好、強度較高。

（2）根據沿空留巷頂板超前預裂卸壓作用機制，對3206 工作面沿空留巷頂板超前預裂卸壓參數進行優化，并通過現場炮孔鉆孔窺視對參數進一步改良。通過現場監測顯示，巷道圍巖穩定性較好，說明沿空留巷頂板超前預裂卸壓較好。