综放工作面沿空留巷超前预裂切顶卸压技术研究

于亦飞，刘忠平，雷平博，石景帅

(1.山西高河能源有限公司，山西 长治 047100；2.陕西开拓建筑科技有限公司，陕西 西安 710054)

柔模混凝土沿空留巷具有：回收煤柱，延长矿井服务年限；实现Y型通风，消除回风隅角瓦斯积聚，改善矿井安全条件，提高矿井安全生产水平；改善矿井技术经济指标等诸多优点[1-3]。目前，柔模混凝土沿空留巷在我国综采放顶煤工作面中广泛应用，留巷效果较好，但局部留巷墙体压力较大，巷道顶板存在台阶下沉现象，特别是留顶煤巷道，为了保证柔模混凝土沿空留巷的顶板稳定性，减小墙体承压，维护巷道稳定，需在超前工作面推进过程中，对留巷顶板应力集中区范围或悬顶区提前进行切顶卸压，消除悬顶现象。为此，在高河煤矿W1309综放工作面进行了试验，攻克了综放工作面留顶煤沿空留巷顶板台阶下沉严重的问题。

1 工程条件

W1309工作面位于西一盘区，是西一盘区第三个回采面，周边均为未采区，无老窑及采空区，无积气区；西面距井田西边界150 m，北面为设计的W1308工作面，南面为设计的W1310工作面，东面为南翼大巷。

W1309工作面开采3号煤层，厚度在6.00～6.94 m，平均为6.44 m；煤层倾角3～15°，平均8°；采深450～490 m。工作面倾向长320 m，走向长1 777 m。W1309回风巷顶底板岩层特征见表1。

2 预裂爆破切顶卸压技术原理

为了保证沿空留巷成巷效果，在超前工作面沿回风巷回采侧顶板肩角打设一排切顶卸压孔，进行切顶卸压，降低沿空留巷顶板悬臂梁上覆荷载以及旋转变形压力，从而大大减小岩梁传递到巷旁和巷内支护结构的荷载，从根本上改善巷道的力学环境，沿空留巷不切顶和提前预裂爆破切顶卸压工作面回采断顶后效果见图1和图2。

表1 煤层顶底板岩层特征

图1 沿空留巷不切除断顶采区断顶后力学模型

图2 沿空留巷切除断顶采区断顶后力学模型

3 聚能预裂爆破参数

3.1 爆破器材

1) 炸药。品种：三级煤矿许用乳化炸药；规格：标准节自行灌装，可采用现有规格；炸药密度：1 000 kg/m3；装药密度：0.95～1.25 g/cm3；爆速：>3 200 m/s。

2) 雷管。品种：煤矿许用毫秒延期8号雷管，符合《工业电雷管》(GB8031-2015)国家标准中有关煤矿许用延期电雷管的要求； 段别：1～4。

3) 导爆索。导爆索采用煤矿许用导爆索，导爆索是以太安、黑索金炸药为药芯、用棉线和塑料编织丝等作包缠物，并以塑料为防潮层组成，规格为D5.2～5.5 mm(或D(6.5±0.3) mm)，爆速≥6 000 m/s。

3.2 爆破参数设计

3.2.1 炮孔布位

沿回风巷走向柔模混凝土墙外侧肩角布单排平行孔，炮孔偏向W1309工作面，直径75 mm；药柱外径60 mm，装药不耦合系数1.25，符合预裂爆破不耦合系数D=1.25～2的要求[4-6]，充分考虑钻眼施工、装药、炮眼利用率及爆破效果等因素，炮孔上倾角70°，如图3所示。

图3 预裂炮孔位置剖面

3.2.2 炮孔深度

根据W1309工作面3号煤层和顶板岩层的厚度、结构和岩性，预裂断顶岩梁主要为5～12.7 m深度的基本顶砂岩，确定沿空留巷顶板上方垂直高度12.7 m范围为主要处理对象。

根据炮孔倾角，计算最小炮孔深度为：

L=MZ/sin70°=12.7/0.94=13.5 m

经计算取炮孔深度为13.5 m。

3.2.3 炮孔间距

1) 按应力波叠加作用计算(采用不耦合装药)。

a=2(b·p2/σt)1/α·rb

式中：a为炮孔间距，m；σt为岩石的抗拉强度，此处为3.69 MPa；P2为炮孔壁初始压力峰值，MPa；ρ0和D为炸药密度和爆速；n压力增大倍数，此处n=10；b为侧应力系数，b=μ/(1-μ)，此处，b=0.25/(1-0.25)=0.33；α为应力波峰值在岩体内的衰减指数，α=2-b，此处α=1.67。

a1=2×(0.33×1 280/3.69)1/1.67×2.1×10-2

=1.758 m

2) 按应力波与爆生气体准静压共同作用计算。封闭在炮孔内的爆生气体以准静压的形式作用于炮孔壁，其应力状态类似于均匀内压的厚壁筒。根据弹性力学的厚壁圆筒理论及岩石中的抗拉强度准则，则有：

a=2(P0/σt)1/2·rb

式中：P0为作用于炮孔壁的准静态压力。

当采用柱状不耦合装药时，有：

a2=2(P0/σt)1/2·rb=2×(111/3.69)1/2

×0.021=0.23 m

因此，按照应力波与爆生气体准静压共同作用原理，炮孔间距为a=a1+a2=1.758+0.23=1.988 m。

由于P2和P0均远大于岩石抗压强度，所以孔壁会产生压碎破坏，产生能量损失，为使裂隙可靠发展，实际a取1 m。

3.2.4 装药结构

采用不耦合连续装药结构。炮孔深度13.5 m，装药长度8 m，封孔长度5.5 m。采用胶带将炸药绑扎在2 cm宽的竹片上，送入孔底，竹片总长度14 m。雷管塞入最外端药卷内，正向起爆，2根脚线引入孔外。1根导爆索绑扎在炸药上，导爆索总长度为8.5 m，炮孔装药结构见图4。

3.2.5 起爆网路设计

采用煤矿许用毫秒电雷管串联起爆。试炮时不采用延时爆破，每次起爆5个炮孔。当爆破参数调整合适后，根据炮孔变形情况，采用毫秒延时爆破，但总延时不超过100 ms。

4 工程实践

4.1 墙体变化规律

W1309回风巷距离切眼50～250 m范围内未实施超前切顶聚能爆破技术，实测柔模墙体压力变化见图5。距切眼251～500 m位置实施预裂爆破技术后，实测柔模墙体压力变化见图6。

图6 预裂爆破段柔模墙体压力变化规律(251～500 m)

由图5可见，未切顶卸压范围内，柔模墙体压力在滞后工作面110 m达到最大11.3 MPa，滞后工作面150 m后墙体压力趋于稳定，巷道变形基本稳定；由图6可见，切顶范围内柔模墙体压力在滞后工作面150 m达到最大1.7 MPa，滞后工作面180 m趋于稳定。

4.2 巷道围岩变形规律

未实施超前切顶卸压巷道围岩变形规律见图7，实施超前切顶卸压后巷道围岩变形规律见图8。

图7 未预裂爆破段巷道围岩变形规律

图8 预裂爆破段巷道围岩变形规律

由图7可见，未切顶卸压范围内，顶板最大下沉量为230 mm，两帮移近量最大为70 mm；由图8可见，切顶卸压范围内，顶板最大下沉量为170 mm，两帮移近量最大为30 mm。

5 结 语

在高河矿W1309回风巷预裂爆破切顶卸压段，柔模混凝土墙体承压大大降低，巷道围岩变形量减小，巷道顶板台阶下沉量降低，保证了留巷质量，达到了放顶煤沿空留巷的预期效果。