鹿台山煤矿切顶卸压无煤柱成巷技术应用分析

吕 雷

（山西煤炭进出口集团鹿台山煤业有限公司，山西 晋城 048000）

0 引 言

我国煤矿绝大部分采用井工开采的方式，其中长壁开采时最常用的开采方式。长壁开采中相邻工作面一般采用留设区段煤柱来进行护巷，区段煤柱有大煤柱与小煤柱之分，但是无论是大煤柱还是小煤柱都在一定程度上造成资源的浪费，且留煤柱开采每个工作面必须掘进两条巷道这在一定程度上也造成了经济的浪费。由何满潮[1]院士提出的“110 工法”就可以很好地解决上述的问题，“110 工法”即在采空区侧定向爆破切顶，利用矿山压力，切断部分顶板的应力传递，进而实现自动成巷和无煤柱开采，并逐步形成切顶卸压自动成巷完整技术工艺。本文针对鹿台山煤业2 号煤层留设区段煤柱护巷造成资源浪费以及由于留设区段煤柱产生较强的应力集中危害生产等问题，经过查阅大量的相关文献以及大量的矿井调研，提出切顶卸压无煤柱开采技术。

2 工程概况

2205 工作面煤层赋存稳定，结构简单，煤层最厚3.20m，最薄1.35m，平均2.5m 左右，工作面北部煤层为全煤，南部煤层距底板1.5m 左右有一层0.1～0.4m的夹矸。2 号煤层结构表如表1、围岩结构见表2。

表2 围岩结构表

3 切顶卸压无煤柱成巷机理

传统的长壁采煤根据相邻工作面之间是否留设区段煤柱分为留煤柱长壁采煤法和无煤柱长壁采煤法。我国绝大部分矿井都采用在相邻工作面之间留设区段煤柱采煤方法，但是留设区段煤柱有着很多的问题，例如，如果区段煤柱尺寸太大时，则易造成资源的浪费；如果尺寸太小时，又对矿井的安全生产造成了隐患。近些年，针对上述问题我国的技术人员提出的无煤柱开采技术得到了飞速的发展，例如西安科技大学发明的柔模混凝土沿空留巷技术、高水材料充填护巷技术等。切顶卸压自动成巷技术是近年来新兴起的一种无煤柱开采技术，它与普通的无煤柱开采技术有着本质的区别，该技术不需要再使用另外的充填材料，而是通过将顶板预裂，提高采空区垮落矸石的碎胀体积，最后当工作面推过后使其自动成巷。其技术原理如图所示。无煤柱自动成巷有着诸多的优势，例如避免工作面上隅角瓦斯积聚、改善留巷的应力环境等。

图1 无煤柱自动成巷原理图

4 顶板预裂爆破切缝机理及参数设计

4.1 双向聚能张拉成型爆破受力分析

1）聚点条状能流。当药包在双向张拉聚能爆破装置中引爆后，其产生的应力波与气体就会自己找寻释放的空间来释放包装产生的能量，由于双向聚能装置的特殊结构，因此在药包在爆炸后由于聚能孔的导向作用，应力波和气体就会顺着导向孔释放，形成一股沿着切缝方向的能量流。对于整个装置而言，药包爆炸后，会沿着聚能管的长度方向在聚能孔方向上形成两个点状能量流面如图2（a）所示。[2]

2）双向拉张作用。

当药包起爆后，由于聚能管的特殊结构使得其爆炸产生的应力波会首先向聚能孔方向释放，沿着聚能孔的方向的围岩产生裂隙。接下来，随着爆炸的进行，在应力波的作用下，在炮孔及孔壁周围形成应力场。由于受到爆炸产生的应力场的作用，沿着炮孔的径向方向会受到压应力的作用产生张拉作用力并出现应力集中，如图2（b）所示。这部分集中应力充分应用了岩石“抗压怕拉”的力学特性，从而促进裂隙（面）的进一步扩展、延伸。[2][3]

图2 双向聚能拉张预裂爆破特征图

4.2 双向聚能张拉成型爆破过程受力分析

当进行聚能爆破时，在其爆破过程中，此装置有着如下的力学作用：

1）对于聚能管周围的岩体，在其爆炸过程中，将会对周围的岩体产生“压”作用，如图3（a）所示，这时岩体的局部地区集中受压。

2）利用岩石“抗压怕拉”的力学特性，因此在设计是就要使沿着爆炸设定的方向集中受拉，而炮孔附近的岩体均受压，对应该力学模型如图3（b）所示。[2][3]

图3 双向聚能张拉成型爆破受力模型

4.3 预裂切缝关键参数设计

1）切顶高度。

切顶高度是指通过爆破技术对顶板进行定向切割从顺槽顶板到最高处切缝的垂直距离。定向爆破切割顺槽顶板是本次设计的核心部分，足够的切缝高度要保证切下的矸石能够支撑起来采空区上覆岩层基本顶的活动。根据何满潮院士提出切缝高度理论计算公式可知：[4]

预裂切缝深度（H缝）临界设计公式如下：

式中：ΔH1为顶板的下沉量，m；ΔH2为底臌的量，m；K 为岩石的碎胀系数，1.3～1.5。

由计算可得H缝=8.3m。

2）切缝角度。通过与相似地质以及开采条件的矿井对比分析可知：切缝的效果与角度有着明显的关系，切缝角度的不同不但能够采空区顶板的垮落效果，而且还能够影响应力集中区域的分布。因此确定本次最佳切缝角度为15°。

3）切缝孔间距。在聚能爆破中，炮孔间距的大小是关系着切顶卸压质量的主要参数，其对裂缝的宽度以及贯通情况有着很大的影响。

由矿井资料分析其围岩状况后选择炮孔间距为1000mm。

（4） 装药量。聚能爆破所采用的聚能管外径Φ42mm，内径Φ37mm，管长2000mm。所采用的炸药为3 级煤矿许用乳化炸药，炸药规格为Φ32mm×200mm/卷。双向聚能拉伸爆破采用不耦合装药，不耦合系数1.3，正向爆破。[5]

4.4 顶板预裂切缝现场试验

顶板预裂切缝的质量是本次试验的关键环节，因此根据本矿井的实际生产条件设置合理的参数是本次研究的重中之重。

现场试验方案为根据前期矿井调研，先进行一个孔的试验并检查其爆破效果后确定单个孔的爆破参数，然后进行多孔试验，根据效果确定其最佳间距以及确定一次最佳起爆爆破孔的个数。

根据现场试验的结构可以得出，每孔采用3 根聚能管，装药量为3+2+1，封泥长度为2m，同时起爆5孔，爆破后切缝孔的平均裂缝率达到88%。

4.5 现场监测

通过地表岩移及裂缝观测，发现在采用110 工法后，地表裂缝和下沉得到明显改善。周期来压最大值以及步距都有一定程度的减小，顶板下沉量较小。

5 结 论

本文研究鹿台山煤矿留煤柱所存在的问题，经过查阅大量的相关文献以及大量的矿井调研，提出切顶卸压无煤柱开采技术；并通过分析切顶卸压的作用机理，提出本矿的切顶卸压的具体参数以及相应的支护方式；得到以下主要结论：

（1）根据鹿台山煤矿地质条件，通过研究切顶成巷无煤柱力学机理，通过理论计算得到了预裂切缝的切缝高度、角度和孔间距等，并通过现场试验来确定最佳的装药量；

（2）通过监测表明，本次切顶卸压成巷技术取得了良好的效果。结果表面，矿井采用此技术后，可以实现实现综采面开采高产高效的目标，产生较大的经济效益，并可以从根本解决煤柱自然发火、应力集中引起的下顺槽巷道难维护等技术难题。