南阳煤矿综放沿空留巷超前预裂切顶技术优化

姬志朋

（山西高平科兴南阳煤业有限公司，山西 晋城 048400）

沿空留巷技术经过多年的发展有了长足的进步，其中新型高水速凝充填沿空留巷使沿空留巷的稳定性大幅提高[1-4]。综放开采中巷旁充填体易变形破坏，目前多采用顶板超前预裂爆破的方式来切断留巷顶板与采空区顶板的应力联系，提高留巷的稳定性[5-7]。本文针对南阳煤矿3207 综放工作面沿空留巷巷旁支护墙破裂、钻入顶板的现象，对沿空留巷顶板超前预裂爆破切顶效果进一步分析，并拟对3206 工作面沿空留巷顶板超前预裂爆破技术进行优化。

1 工程概况

1.1 煤层开采条件

南阳煤矿现采3#煤层，煤层平均厚度5.38 m，属高瓦斯矿井，地质及水文地质类型中等，属不易自燃煤层，煤尘无爆炸性，无冲击地压。工作面采用综采放顶煤工艺。3#煤层顶底板岩性及物理力学性质如图1。目前该煤层采用沿空留巷无煤柱开采，在沿空留巷超前进行顶板预裂爆破卸压，减弱巷旁支护墙受力。

图1 煤层顶底板岩性

1.2 顶板围岩条件及切顶效果

在3207 工作面顺槽留巷地段矿压显现最明显的位置施工一检查孔，检查孔孔深40 m。采用窥视仪进行窥视，结果显示：钻孔11～13 m 顶板破碎产生离层，证明11 m 以下顶板有悬顶，下边界切顶范围不够；32 m 处破碎、离层，证明32 m 下部存在某层岩层未折断、有悬顶。

在3207 工作面顺槽对顶板进行了钻孔取芯，在实验室测试了岩芯的物理、力学性能。试样力学性质测试结果见表1。从中可以看出顶板条件较好、强度较高，超前预裂不到位有可能造成顶板悬顶范围过大的风险。

表1 围岩试样力学性质测试结果

2 沿空留巷顶板超前预裂卸压机理

由图2（a）、（b）可知：巷旁支护墙受到顶板的压力由上覆岩层对巷旁支护墙的垂直应力及采空区顶板悬顶旋转造成的附加应力，前者占比较小且不可改变，而顶板的旋转压力与顶板悬顶长度相关，因此顶板旋转压力是影响顶板对巷旁支护墙压力的主要影响因素。采取切顶卸压可以减少顶板悬顶长度，切断与采空区上方顶板的应力联系，减小巷旁支护墙受到的压力。巷旁支护墙仅承担切顶后上部岩块的重量，采空区上覆岩层的顶板压力大部分由采空区矸石承担。由于3206 皮带顺槽顶板为煤层，强度低，提高巷旁支护墙的支撑力会造成顶板比压增加，巷旁支护墙更容易钻顶。如果采取提高巷旁支护墙强度的措施，必须对巷道顶板煤层进行加固，加固巷道顶板煤层难度大，费用高，不适用。

图2 巷旁支护墙受力示意图

所以优化切顶卸压方案，为最可行的施工方案。

3 沿空留巷顶板超前预裂卸压参数优化

3.1 顶板预裂爆破切顶参数

（1）切顶范围

根据钻孔窥视结果取芯测试结果看出，32 m产生离层，24～32 m 之间没有明显的弱层，证明24～32 m 之间的岩层没有切断产生悬顶，切顶的上部边界应为32 m。同时考虑工作面切顶范围内岩体垮落碎胀后能够有效充填采空区，进而对采空区上覆岩层起到必要支撑作用，减缓成巷上覆岩的下沉及回转变形。参考文献[8]中给出了复合顶板切顶高度为：

式中：HF为切顶高度，m；HM为煤层采高，取4.66 m；△H1为顶板下沉量，m；△H2为底鼓量，m；K为碎胀系数，顶板砂质泥岩碎胀系数取1.4，顶板稳定后，冒落矸石的残余碎胀系数1.1～1.2，试验中取1.15。不考虑顶板下沉量和底鼓量，计算得HF=31.1 m。

综上，切顶高度取32 m。

（2）切顶角度

切顶钻孔的上倾角越大，顶板下沉量越小，巷旁支护墙的承载力越小，切顶钻孔上倾角超过80°时，影响变小。

（3）爆破参数

本次爆破施工，采用3#矿用乳化炸药。根据现场实际情况，确定不耦合系De=1.5，确定钻孔直径db=75 mm。根据计算的不耦合系数及钻孔直径，可以计算药卷直径为：

聚能管采用深孔预裂爆破聚能管。聚能管由主体管、连接套筒、定位装置3 部分组成。主体管采用非金属圆管制造，长度2000 mm，外径Φ50 mm，壁厚2.5 mm，内径Φ45 mm，为药卷直径。在管的两侧对称切槽，切槽长度与聚能管长度一致，切槽宽度5 mm，切槽深度1.5 mm。聚能管的上、下两端分别设置有1 个对穿定位孔。每米钻孔线装药量为1.59 kg/m，炮孔间距取1.5 m。

3.2 顶板预裂爆破切顶方案

在工作面前方进行顶板预裂爆破切顶卸压，钻孔连线平行于2306 皮带巷中心线，与中心线距离1500 mm，偏向3206 工作面方向，孔间距1 m。采用深孔+浅孔组合的形式：长钻孔上倾角84°，与巷道中心线夹角垂直，炮孔深度32 m，直径75 mm，药卷直径50 mm，不耦合系数1.5，长孔装药长度20 m，封泥长度12 m；短钻孔上倾角76°，与巷道中心线夹角垂直，炮孔深度12 m，直径75 mm，药卷直径50 mm，不耦合系数1.5，装药长度4 m，封泥长度8 m。孔深8 m 爆破点距巷旁支护墙采空区侧外边0.5 m，孔深32 m 爆破点距巷旁支护墙采空区侧外边3.5 m。爆破方案如图3。

图3 爆破方案图（m）

3.3 顶板预裂爆破切顶方案现场实践

上述顶板预裂爆破优化切顶方案在现场进行实践，发现3206 工作面比3207 工作面沿空留巷效果有明显的改善，但也存在以下问题：（1）巷旁支护墙浇筑前顶煤破碎；（2）预裂爆破时封孔炮泥冲出。将爆破后钻孔中的封孔炮泥冲洗掉，对钻孔进行窥视，结果如图4。由图4 可知，长短钻孔在顶煤内均出现裂隙，在顶煤以上的直接顶岩层均保持完整，所以顶煤破碎原因一方面是煤层强度低，另一方面是爆破震动对顶煤的影响。在长短钻孔爆破段（短钻孔10 m、长钻孔14 m 处）钻孔向四周开裂，并没有将钻孔沿钻孔连线方向劈裂成缝。因此取消短钻孔，增加长钻孔装药长度，不再施工短钻孔，将长钻孔的装药长度由20 m 增加为22 m。

图4 钻孔窥视图

爆破时封孔炮泥容易冲出钻孔，是受到顶板淋水等原因造成的。因此不再采用装炮泥封孔袋封孔，采用注浆材料封孔。

4 沿空留巷围岩监测

现场对留巷围岩移近量、锚索压力及顶板离层进行监测，监测数据如图5。由图5（a）可知：测点离工作面后方259 m 时顶底板移近量达到最大值25 cm，煤柱侧帮最大移近量为8.5 cm。巷旁支护墙移近量均不足1 cm，未绘图于表中。由图5（b）可知：3 m 浅基点顶板离层测值最大值为0.6 cm；9 m 深基点顶板离层测值最大值为1.6 cm；顶板离层主要发生在顶板0～3 m 范围内，预计发生在顶煤与直接顶之间，3～9 m 顶板高度范围内岩层几乎没有发生离层，间接证明了沿空留巷的大结构保持完整，没有受到破坏。锚索工作阻力观测变化值如图5（c），由图可知：到工作面后方82 m 处时，锚索工作阻力达到最大值50 MPa，此后锚索工作阻力下降，并趋于稳定。表明巷道在工作面后方80～100 m 范围内压力趋于稳定。综上，留巷围岩变形量较小，围岩稳定性较好，说明顶板预裂爆破切顶能有效切段采空区顶板的应力传递。

图5 现场监测

5 结论

（1）根据钻孔窥视，3207 工作面沿空留巷切顶后顶板有悬顶；物理力学实验表明顶板条件较好、强度较高。

（2）根据沿空留巷顶板超前预裂卸压作用机制，对3206 工作面沿空留巷顶板超前预裂卸压参数进行优化，并通过现场炮孔钻孔窥视对参数进一步改良。通过现场监测显示，巷道围岩稳定性较好，说明沿空留巷顶板超前预裂卸压较好。