亿欣煤业坚硬顶板预裂爆破切顶留巷技术与试验

李丰廷

(晋煤控股集团 晋城煤炭事业部亿欣煤业，山西 沁水 048200)

长期以来，煤炭一直是我国的主要消费能源，随着煤炭开采深度的增加，条件逐渐恶劣，从资源和安全角度出发，传统的煤柱护巷技术不再适用[1-2]。为提高煤炭回收效率、改善巷道围岩环境，我国专家提出了无煤柱护巷技术，前期专家学者的研究主要聚焦在巷旁充填护巷技术，但是由于巷旁充填护巷工序较为复杂，与采煤工序有所冲突，为此，何满朝院士提出了将顶板长悬臂梁采用一定的技术手段切落呈短悬臂梁，该技术可有效改善巷道围岩应力环境，目前已得到广泛应用[3-5]。亿欣煤业XV1307工作面开采15号煤层，煤层倾角为1～15°，平均7°，煤层厚度为1.68～2.87 m，平均2.24 m，煤层中含1～2层夹石，为全区稳定可采煤层，工作面基本顶为K2石灰岩，平均厚度16.36 m，普氏系数f=8.09，属于稳定坚硬顶板，工作面采用一面三巷布置方式，其中，XV1214为工作面进风巷，为缓解工作面接续紧张、提高煤炭回收效率，XV1214巷计划采用沿空留巷方式留作XV2306工作面的回采巷道使用。

1 坚硬顶板预裂爆破切顶留巷机理

切顶留巷是采用一定的技术手段将上工作面回采巷道留作下工作面使用，目前常采用的方式包括密集钻孔和预裂爆破。预裂爆破切顶留巷是采用爆破方法，提前对回采巷道采空区侧坚硬顶板岩层进行预裂，人为地在坚硬顶板岩层制造一条人造裂隙，随工作面回采，受采动高应力影响，坚硬顶板岩层将沿着这条人造裂隙快速垮落，在此过程中基本顶或坚硬顶板岩层由长悬臂梁结构形成了短悬臂梁，实现了对巷道围岩结构的改变，切断了坚硬顶板岩层及覆岩应力传递。采用该技术方法主要围绕切顶和护巷技术，其切顶技术采用预裂爆破方式，护巷技术包括恒阻大变形锚索提前补强、采动影响范围临时加固、采空区巷帮挡矸等，该技术可实现工作面自动成巷，图1为预裂爆破切顶留巷示意。

图1 预裂爆破切顶留巷示意

2 坚硬顶板预裂爆破切顶留巷技术

预裂爆破切顶留巷技术主要包括坚硬顶板预裂爆破技术、恒阻大变形锚索提前补强技术、采动影响范围临时加固技术和采空区巷帮挡矸技术。

1) 坚硬顶板预裂爆破技术。超前工作面20 m采用双向聚能隔孔爆破方式进行坚硬顶板岩层预裂，距巷帮0.2 m处在巷道顶板向采空区侧施工1排钻孔，钻孔间距500 mm、直径52 mm、长度10 000 mm、封孔长度2 500 mm，每个爆破钻孔布置6根D型聚能管、14根炸药药卷，每次预裂长度为7.0 m，具体参数和布置方式如图2所示。

2) 恒阻大变形锚索提前补强技术。超前工作面50 m施工顶板恒阻大变形锚索进行补强支护，锚索设计3排，锚索规格为直径21.8 mm、长度12 300 mm，第一排距采空区巷帮0.6 m施工，间距1.0 m；第二排距采空区巷帮1.6 m施工，间距2.0 m；第三排距采空区巷帮3.3 m施工，间距2.0 m。第一排锚索采用3.0 mm厚的W钢带连接，锚索托盘均采用，托盘选用300 mm×300 mm×20 mm的蝶形托盘，具体参数和布置方式见图2。

图2 恒阻大变形锚索和预裂爆破钻孔布置示意(mm)

3) 采动影响范围临时加固技术。在超前工作面30 m至之后工作面架设1排戴帽单体柱，第一排距采空区侧巷帮0.4～1.6 m，第一排距实煤体侧巷帮0.8～1.6 m，排距1.0 m。

4) 采空区巷帮挡矸技术。采空区侧采用U型钢及钢筋网组成的联合挡矸，同时，两U型钢中间之间架设1架单体柱，使其形成一条直线布置，单体柱间距500 mm，U型钢型号29U，采用卡兰和连杆连成整体，具体参数和布置方式如图3所示。

图3 采空区巷帮侧挡矸示意

3 现场工业性试验

将提出的坚硬顶板预裂爆破切顶留巷技术应用于亿欣煤业XV1307工作面XV1214巷，同时监测了超前工作面20 m到滞后工作面200 m范围内的巷道变形情况，图4给出了实煤体侧巷道和顶底板变形曲线。由图可知，巷道变形大概可分为如下几个阶段：超前工作面20 m到滞后工作面20 m范围内巷道受采动影响较小，变形相对较小，变形速度约5 mm/d；滞后工作面20～80 m范围内巷道受采动影响明显，出现剧烈变形，变形速度约20 mm/d；滞后工作面80～140 m范围内巷道受采动影响程度降低，变形速度有所减缓，变形速度约16 mm/d；滞后工作面140 m后，变形速度进一步减缓，变形速度约2 mm/d；滞后工作面160 m后，变形逐渐趋于稳定，巷道顶底板最大变形量约315 mm，实煤体帮部最大变形量约219 mm。从现场看，巷道变形均在允许范围内，所留巷道断面尺寸可以满足下工作面使用，表明了坚硬顶板预裂爆破切顶留巷技术的合理性和可靠性。

图4 巷道变形曲线

4 结 语

为提高煤炭回收率、改善巷道围岩环境，亿欣煤业XV1307工作面采用沿空留巷技术，采用爆破方法，提前预裂坚硬顶板岩层，人为构造结构裂隙，受采动高应力影响，坚硬顶板岩层由长悬臂梁结构形成了短悬臂梁，基于此，开发了坚硬顶板预裂爆破技术、恒阻大变形锚索提前补强技术、采动影响范围临时加固技术和采空区巷帮挡矸技术，形成了坚硬顶板预裂爆破切顶留巷技术，成功实现了亿欣煤业XV1214巷沿空留巷。