黄陵一号煤矿中厚煤层切顶卸压沿空留巷技术研究

荆 琪 石新禹

（陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿，陕西 延安 727307）

沿空留巷技术作为无煤柱开采工艺的方式之一，能够有效提高煤炭资源回收率，减少回采巷道掘进工程量，缓解采掘接续紧张[1-6]。但由于沿空留巷工艺难度大、受地质条件影响严重等原因，仍有部分矿井难以实现该回采工艺。以黄陵一号煤矿1009 工作面为研究背景，通过理论分析、数值模拟及现场实测等方法，开展中厚煤层切顶卸压沿空留巷技术研究。

1 工程背景

黄陵一号煤矿原有巷道布置方式采用“一进一回U 型”布置方式，工作面间区段煤柱30 m。根据以往的回采经验显示，30 m 区段煤柱能够满足矿井安全生产需求，但传统的巷道布置方式造成了煤炭资源浪费，因此，在1009 工作面开展沿空留巷开采技术研究。1009 工作面巷道布置关系如图1。

图1 1009 工作面巷道布置关系图

1009 工作面煤层平均厚度2.4 m，倾角0～6°，平均埋深400 m，宽度235 m，推进长度2809 m。工作面直接顶为砂质泥岩，平均厚度9.8 m；基本顶为细粒砂岩，平均厚度9.2 m；直接底为泥岩，平均厚度8.0 m；基本底为细粒砂岩，平均厚度8.3 m。

2 理论分析

2.1 1009 工作面顶板垮落机理

根据煤矿实际地质条件，采用爆破预裂方式对顶板进行切顶，在采场周期来压下控制顶板的回转和变形[7-10]，缩短顶板悬臂梁长度。初期采用“U29型曲线挡矸柱+单体液压支柱”联合支护形成巷旁支护，在留巷距离超过200 m 后采用垛式支架进行支护，最终形成下一个工作面的回采巷道。

2.2 1009 工作面爆破预裂参数设计

（1）切缝高度

沿空留巷切顶预裂参数通常根据切缝高度，采用现场试验的方法进行确定，切缝高度主要通过顶板岩石的碎胀性进行确定，见式（1）：

式中，HF为切缝高度，m；HM为煤层厚度，取2.2 m；△H1为顶板下沉量，取0.1 m；△H2为底鼓量，取0.1 m；K为碎胀系数，取1.3。

根据1009 工作面实际地质条件，对上述参数进行取值，经计算得出，切缝高度为6.7 m。考虑实际施工难易程度，在实际施工过程中按7 m 进行施工。

（2）装药量参数

综合考虑理论计算及顶板岩性，顶板预裂切缝孔参数为Ф48 mm×7 m；切缝孔距巷道靠采煤面侧200 mm，与法线夹角为10°，切缝孔间距500 mm。如图2。

图2 1009 辅运顺槽顶板预裂缝孔施工断面图（mm）

双向聚能装药装置采用特制双向聚能管，其规格为外径42 mm，内径36.5 mm，管长1500 mm，安装于顶板预裂切缝孔内，单孔3 根双向聚能管，管间采用特制装置连接。双向聚能管内安装煤矿许用三级乳化炸药和毫秒延期电雷管，自上而下，第一节、第二节双向聚能管均安装3 卷炸药，第三节双向聚能管内安装2 卷炸药，炸药规格均为Ф32 mm×200 mm/卷，炮泥封孔，炮泥地面提前预制。

（3）爆破参数

切缝孔装2 空1（2 孔装药、1 孔不装药）为一组，五组为一个爆破循环，每天完成两个爆破循环。有效爆破距离15 m，高于工作面每天推采12.8 m 进度的需求。

3 沿空留巷数值模拟分析

3.1 模型建立

根据1009 工作面实际地质情况，采用MIDAS软件进行网格划分，FLAC3D数值模拟软件进行模拟运算，建立模型共计115 227 个节点，106 720 个单元，模型尺寸为210 m×100 m×79.5 m。对模型施加边界条件，即对模型四周施加位移约束，底面固支，同时对模型顶板施加5 MPa 的均布载荷，代替上覆地层自重。

3.2 模拟方案

模拟方案拟采用循环开挖工作面的方式代替工作面回采，开挖时步为每3000 步一个开挖循环，同时对1009 辅运巷的顶板施加弱化处理，代替切顶爆破。根据工作面开挖后1009辅运巷的成巷效果，评价1009 工作面沿空留巷实施工艺。

3.3 数值模拟结果分析

采用布置监测线的方法，提取当工作面开挖见方时，超前煤壁20 m 范围内垂直应力与巷道中心关系，绘制曲线图如图3。由图3 可知，在工作面超前20 m 范围内，侧向支承压力基本呈先上升、后下降、再上升的趋势，1009 辅运顺槽处在应力降低区范围内。由此可以推断，1009 工作面实施沿空留巷工艺，1009 辅运顺槽具备一定的成巷条件，沿空留巷布置位置合理。

图3 超前煤壁20 m 范围内垂直应力与巷道中心关系

采用布置监测线的方法，提取当工作面开挖见方时，超前煤壁20 m 范围内垂直位移与巷道中心关系，绘制曲线图如图4。由图4 可知，在1009 辅运顺槽顶板范围，超前煤壁5 m、10 m、20 m 范围巷道顶板下沉量呈现先上升、后下降、再上升，峰值分别为13.1 mm、11.3 mm、8 mm。由此可以推断，采取沿空留巷施工工艺后，1009 辅运顺槽巷道变形不大，基本满足巷道成型要求。

图4 超前煤壁20 m 范围内顶板下沉量与巷道中心关系

4 工程应用

4.1 切顶孔爆破预裂效果观测

沿空留巷的切顶预裂爆破孔成孔效果及爆破预裂效果在一定程度上能够指导工作面切顶作业，因此，采用矿用本安型钻孔窥视仪CXK12（A）对顶板切顶孔进行观测。

通过对施工切顶孔的空孔进行切顶效果观测，钻孔窥视结果如图5。由图5 可知，在孔深3 m 处开始出现纵向预裂切缝，预裂切缝成缝效果良好。随着钻孔深度的增加，在孔深达到5.5 m 时切缝裂隙持续发育。由此可以推断，1009 工作面切顶预裂效果良好。

图5 钻孔窥视结果图（m）

4.2 工作面矿压观测

采用矿用KJ593 顶板矿压监测系统对1009 工作面支架载荷进行监测，可知工作面支架载荷分布均匀，峰值为37.4 MPa，未超过40 MPa，表明采空区顶板随着工作面循环推进及时垮落，1009 辅运顺槽顶板未发生悬顶。

5 结论

（1）对1009 工作面切顶预裂数字模拟分析，发现1009 辅运顺槽处在应力降低区范围内，超前煤壁5 m、10 m、20 m 范围巷道顶板下沉量呈现先上升、后下降、再上升，1009 辅运顺槽巷道变形不大，基本满足巷道成型要求。

（2）1009 工作面沿空留巷现场实测结果显示，1009 辅运顺槽切顶预裂爆破孔在深度3 m 首次出现纵向裂隙，裂隙持续发育，切顶效果良好。

（3）对1009 工作面支架载荷观测，发现1009工作面支架载荷峰值为37.4 MPa，采空区顶板随着工作面循环推进及时垮落，1009 辅运顺槽顶板未发生悬顶，工作面沿空留巷工艺实施合理。