东峰煤矿3201工作面切顶卸压护巷技术应用

刘亚洲

（山西兰花集团东峰煤矿有限公司，山西 晋城 048000）

传统的留设煤柱开采方法不但会造成煤炭资源的浪费，而且煤柱处形成较大面积的顶板岩层悬顶，悬顶过大会造成煤柱及柱旁巷道的应力过大，导致巷道变形过大，容易发生失稳，出现安全事故［1］。因此，提出了针对柱旁巷道进行切顶卸压研究，不但可以保证巷道的稳定，而且可以实现更快捷的通风方式［2-3］。

目前许多研究学者针对工作面巷道切顶卸压关键参数设计进行了研究，谢小平［4］针对倾斜薄煤层工作面具体环境，确定了切顶卸压爆破技术参数；刘大千［5］针对马兰矿18506工作面设置了两组炮孔对顶板进行爆破卸压，切断了采动应力传播途径；现针对东峰煤矿3201工作面轨道顺槽进行沿空留巷技术研究，通过沿空留巷保证3201工作面轨道顺槽的围岩稳定，进而保证工作面的安全回采。

1 工程概况

1.1 工作面概况

东峰煤矿属于山西兰花集团，位于山西省高平市，3201工作面所采煤层为3号煤层，平均厚度为5.93 m，煤层倾角为5°，为不易自燃煤层，绝对瓦斯涌出量为1.34 m3/min。工作面直接顶为粗粉砂岩，平均厚度为3.01 m，黑色；老顶为中粒砂岩，平均厚度为3.57 m，灰褐色；直接底板为泥岩，平均厚度为0.7 m，灰黑色，含植物化石；老底为泥岩，平均厚度为4.96 m，黑色，片状。

1.2 工作面具体条件

3201工作面位于二采区西翼，西侧为3201轨道顺槽，南侧为二采区胶带上山，东侧为实体煤、北侧为东峰煤矿与山西高平科兴集团南阳煤矿有限公司边界线，3201轨道顺槽设计长度2372.8 m。3201工作面工程平面见图1。

图1 3201工作面工程平面

2 巷道原支护方式分析

东峰煤矿3201工作面轨道顺槽主要沿3号煤底板掘进，巷道为矩形断面，宽度5.2 m，高度3.3 m，断面面积17.16 m2。原支护方式为高强锚杆+锚索支护。

在施工过程中，巷道受到顶板岩层压力传递导致围岩变形量大、成型差，原支护方式部分失效，无法满足工作面的安全回采需求，且工人劳动强度大，安全隐患发生几率较大，为了保证3201工作面轨道顺槽的安全稳定，需针对其顶板岩层进行切顶卸压，保证顺槽的安全稳定。

3 切顶卸压定向爆破设计

3.1 孔网参数

（1）布孔方式

沿巷道回采侧肩角布置一排炮孔。为了防止爆破损伤顶板、顶板离层或锚固失效，在采取聚能药包定向断裂爆破的基础上，设计钻孔直径不超过50 mm，选取钻杆直径42 mm，钻头直径48 mm，炮孔直径db=50 mm，炮孔与水平面夹角（炮孔倾角）β=75°。

（2）炮孔长度

①冒落高度计算

冒落带高度可以由下式得到：

式中：H为割煤高度，取2.6 m；KA为冒落岩层的碎胀系数，取1.2；η为放出率，取0.8；C为残煤厚度SA为老顶下位岩梁触矸处的沉降值，取0.2 H；T为顶煤厚度，取3.22 m；Km为顶煤垮落后的碎胀系数，取1.1；Mz为冒落高度。

计算可得：Mz=22.96 m。

②炮孔长度计算

根据以上分析，顶煤和顶板矸石完全充满采空区的冒落高度应为22.96 m，但根据3201钻孔取芯岩性分析可知，确定沿空留巷顶板上方垂直高度18 m范围内岩层为主要弱化对象。因此，炮孔长度L为：

L=Mz/sin β

经计算得：L=23.77 m，根据井下钻探取芯情况，炮孔长度18 m即可保证关键层破断，满足综放沿空留巷切顶卸压要求，因此取炮孔长度18 m。

（3）炮孔间距

按应力波与爆生气体准静压共同作用确定炮孔间距，取炮孔间距600 mm。

3.2 装药参数

装药长度10 m，封孔长度8 m，单孔装药量：

Q=q×l

式中：q为每米装药量，kg/m，此处q=0.5 kg/m；l为装药长度，m。

Q=ql=0.5×10=5 kg

聚能药包定向断裂炮孔布置见图2。

图2 聚能药包定向断裂炮孔布置

3.3 装药结构

采用孔底不耦合连续装药，聚能药包定向断裂爆破。炮孔长度18 m，聚能管装药总长度10 m，炮泥封孔长度8 m。

采用可调压气动胶枪将乳化炸药注入聚能管内，单节聚能管长度2 m，聚能管间采用专用连接件连接并用螺丝固定，确保聚能管间捆扎牢固，可靠传爆炸药。聚能管扣盖必须朝向采空区一侧，每节聚能管安装1个Φ50 mm钻孔用定位块，确保聚能与预裂方向一致［4-5］。装药结构见图3。

图3 聚能药包定向断裂炮孔装药结构

3201工作面沿空留巷定向断裂爆破主要爆破参数见表1。

表1 主要爆破参数

4 沿空留巷支护设计

4.1 巷旁支护

基于目前巷道断面，结合工作面后期规划，确定沿空留巷巷道宽度4000 mm，巷旁支护宽度1200 mm，墙体向巷内迎山5 °。沿空留巷支护横断面见图4，支挂模见图5。

图4 沿空留巷支护横断面

图5 支挂柔模巷内倾斜

（1）矿用高性能混凝土

采用陕西开拓建筑科技有限公司配制的满足自密实、早强、高强等要求的矿用高性能混凝土，混凝土强度等级不低于C40。

（2）对拉锚栓

锚栓规格：采用钢号为500号的左旋无纵筋螺纹钢，锚栓杆体直径不小于Φ22 mm，杆体长度1450 mm，两端设有螺纹，螺纹长度大于等于100 mm，规格为M24。

锚栓托盘：托盘尺寸不低于150 mm×150 mm×12 mm，托盘承载能力大于23 t。

锚栓布置：间排距700 mm×750 mm，每排5根锚栓，垂直于墙面布置。

锚栓预紧力：挂设柔模的单体液压支柱未戴柱帽，容易破碎顶煤，造成墙体侧顶板台阶下沉（巷内切顶），因此挂模单体液压支柱应在墙体浇筑完成后24～30 h内拆除。墙体浇筑成型1 d后通过扭矩扳手给锚栓施加300 N·m的预紧扭矩，锚栓结构见图6。

图6 锚栓结构

（3）钢筋钢带

采用Φ16 mm圆钢焊接钢筋钢带，横向钢筋钢带长度分别为1900 mm、3000 mm和3400 mm，对应2000 mm、3000 mm和4000 mm长柔性模板。钢筋钢带扣距80 mm，钢筋钢带尺寸结构见图7。

4.2 临时加强支护

（1）超前支护

根据《煤矿安全规程》，超前工作面临时支护范围不少于20 m，考虑到超前工作面切顶爆破影响，得到超前支护范围为30 m。采用单体支柱配合π型钢梁打一梁四柱抬棚，单体柱间距900±100 mm，每排4根单体液压支柱，π型梁体长度在3800 mm。在压力较大区域，在柔模墙体顶部横向布置废旧钢梁。

（2）滞后支护

滞后支护范围为工作面后方250 m，采用单体支柱配合π 型钢梁打一梁四柱抬棚，间距900±100 mm。第一排π型梁距煤帮500 mm，第二排距煤帮1900 mm，第三排距煤帮2700 mm，第四排距墙300 mm，π型钢梁长度3800 mm。

5 工业试验

为检验此次研究的效果，在实施切顶卸压后3201工作面轨道顺槽布置测点，并按十字测量法测量轨道顺槽顶底板及两帮相对移近量。记录并分析数据可知，3201工作面轨道顺槽顶板最大离层高度94 mm，顶底板相对移近量最大131 mm，两帮相对移近量最大102 mm。从数据分析结果看，轨道顺槽能够正常使用。

6 结语

通过理论计算和现场经验，确定了工作面爆破参数为：钻孔长度为18 m、钻孔直径为50 mm、钻孔间距为600 mm、钻孔倾角为75°、封孔长度为8 m等；还对轨道顺槽支护方式进行了进一步优化，最后在东峰煤矿进行了工业试验，最终得到3201工作面轨道顺槽在切顶卸压稳定后最大离层高度94 mm，顶底板相对移近量最大131 mm，两帮相对移近量最大102 mm，可以保证轨道顺槽的安全使用。