综放工作面沿空留巷定向预裂爆破技术研究

郑立军

(河南焦煤能源有限公司 古汉山矿，河南 焦作 454000)

当前煤炭行业处于结构调整期，传统的留设煤柱、沿空掘巷的开采方式不仅在经济方面不占任何优势，还造成大量的煤炭资源的浪费，由于所留设的煤柱往往出现应力集中现象，引起巷道围岩变形破坏，不利于巷道的维护使用[1]。因此，沿空留巷无煤柱开采技术是解决上述问题的主要方式之一[2，3]，该技术不仅回收了区段煤柱，煤炭的浪费得以抑制，而且还有利于缓解矿井采掘接替紧张的局面、解决工作面端头上隅角瓦斯超限的难题，是今后矿井朝着安全高效生产方向的主要变革技术[4，5]。

传统的沿空留巷研究主要集中在巷旁充填、混凝土墙体等领域[6]，如康红普[7]、谢生荣[8]等研究了深部矿井充填沿空留巷围岩控制机理。近年来何满潮院士及其团队[9-13]提出切顶短臂粱理论为基础的切顶卸压沿空留巷技术，在薄及中厚煤层、浅埋深条件下的切顶卸压沿空留巷中的爆破参数的选取、围岩结构控制等问题的研究比较成熟[14-19]，现场应用取得不错效果[20-26]。

然而针对综放工作面沿空留巷中爆破切顶方面的研究较少，本文以古汉山矿1604综放工作面沿空留巷为例，理论分析了定向预裂爆破技术工艺原理，对现场切顶试验中爆破参数的选取进行分析，并确定最佳切顶卸压方案，对今后相似情况下沿空留巷中的爆破切顶实施提供一定的借鉴。

1 工程背景

1.1 1604工作面概况

1604工作面位于16采区西翼，北为16021采空区，南为1606工作面(未回采)，西为界碑断层保护煤柱，东为16皮带下山保护煤柱，工作面布置如图1所示。该工作面走向长度994m，倾向长度152m。工作面标高-564m～-427m，地面标高+95.5m～+97.8m，埋深平均602m，现场测试1604工作面最大水平主应力为31MPa，垂直应力为18MPa，原岩应力较大。煤厚平均5.3m，煤层倾角平均14°，为中硬、稳定煤层。该面瓦斯绝对涌出量为3.3～4.1m3/min，正常涌水量90m/h。采用走向长壁后退式综采放顶煤，全部垮落法进行处理采空区顶板的采煤方式。

图1 工作面布置

1.2 1604运输巷原支护参数

1604运输巷沿煤层顶板掘进，为梯形断面，顶板采用钢筋网、钢带、锚杆及锚索联合支护，帮部采用钢筋网、钢带及锚杆联合支护。顶板、帮部锚杆型号∅20mm×2400mm，间排距700/750mm×800mm；顶锚索型号∅18.9mm×7500mm，间排距1600/2000mm×2000mm。采用W型钢带将每排锚杆连接起来，形成整体。网片均用∅6mm的钢筋焊接成钢筋网，其相互搭接要大于0.1m的长度，搭接部分要用双股14#联网丝隔孔连接在一起，铺网时必须拉紧，紧贴煤壁。

1.3 沿空留巷概况

切顶卸压沿空留巷技术主要环节有：①在1604工作面前方运输巷道靠近回采帮侧的顶板施工定向切顶钻孔并进行预裂爆破，主要作用是将巷道和采空区上方关键岩层间的力学联系切断，在巷道上方形成短臂梁结构；②采用高强锚索加强巷道顶板的稳定性，提升短臂梁结构的强度和承载能力，如有必要也也应加强煤柱帮的稳定性；③紧跟工作面端头支架沿切缝位置架设可伸缩U型钢、双层金属网、挡风布等挡矸防护设备，自动形成采空区帮，并在留巷段及时布置单体柱抬棚支撑顶板；④进入留巷段后及时对巷道矿压进行观测分析，以便于对留巷出现的问题及时提出控制方案；⑤通过对留巷的简单修复，适时逐步取消或减密留巷段的单体柱抬棚支护，完成留巷。

为了缓解古汉山矿采掘接替紧张、工作面上隅角瓦斯高的问题，并且减少巷道掘进量、增加煤炭回收率，拟采用切顶卸压沿空留巷技术将1604运输巷保留下来，当作1606工作面回风巷使用。切顶留巷前需要对1604运输巷进行加强支护，即在顶板和煤柱帮补打高强预应力锚索，帮部补打锚索用工钢梁连接。然后在工作面前方靠近回采帮的巷道顶板进行预裂。采空区帮采用可伸缩工字钢、双层金属网和挡风布进行挡矸；留巷段采用单体柱抬棚临时支护顶板，如图2所示。

图2 工作面柱状图及留巷参数

与以往薄及中厚煤厚、浅埋深等条件下切顶卸压沿空留巷技术研究应用相比，1604综放工作面沿空留巷的特点：①煤层厚。煤层厚度平均5.3m，采用综采放顶煤工艺，尽管端头部分支架不进行放煤，工作面开采后空间较大，且上覆岩层结构破断、垮落运动仍比较剧烈，对沿空留巷巷道围岩稳定及控制不利。②埋深大。工作面埋深高达600m，属于高应力范畴，工作面回采后采空区悬臂结构是否顺利垮落将会直接影响留巷效果。③计划留巷巷道宽度大。研究表明，沿空留巷巷道宽度大于3.5m时称大跨度沿空留巷。1604运输巷宽度4.5m，巷道宽度较大的顶板在其中间位置容易出现大范围的拉应力区，顶板浅部位置的岩层将会出现不均匀的弯曲变形开裂。留巷时受工作面采动、周期性来压、采空区顶板垮落及巷内支护体的共同影响下，巷道顶板将受反复“顶-压”扰动的作用，将会对留巷顶板的控制不利。

2 定向预裂爆破技术及影响因素分析

2.1 定向预裂爆破技术

切顶卸压沿空留巷成功实现的前提条件是将巷道与采空区上覆关键岩层切断，出现短臂梁的结构，工作面回采后，采空区顶板的垮落将会对巷道减小影响，其关键技术则是定向预裂爆破技术的实施。该技术主要是在爆破钻孔内装上定向聚能装置并引导炮孔内炸药爆破时的方向，将炸药爆炸能量聚集起来形成张拉应力集中的现象，在巷道顶板预定切缝方向上使岩层形成断裂面。定向聚能装置还可以使炸药爆破时对炮孔除预定方向外的孔壁减小冲击作用，因此不会对巷道顶板岩层造成破坏[5]。

古汉山矿1604工作面运输巷采用切顶卸压沿空留巷技术后，将来作为1606工作面回风巷使用。采用定向预裂爆破的方法将1604运输巷靠近回采帮侧的顶板与采空区顶板之间形成预裂面，待工作面推进过后，采空区上覆基本顶岩层随即垮落下来，不会对巷道顶板造成影响，因此预裂爆破的作用就是切断巷道与采空区之间的应力联系。同时，紧跟工作面端头支架沿着切缝线布置挡矸防护设备形成采空区帮，并在留巷段布置单体柱抬棚临时支撑顶板。确保了沿空留巷巷道的稳定，达到留巷的目的。

2.2 爆破影响因素分析

沿空留巷是否成功的关键是爆破技术，而影响爆破效果的关键则是切顶高度、爆破孔间距、爆破孔角度、爆破孔装药量及装药结构等因素，确定合理的爆破参数才能确保爆破效果。综放工作面实施沿空留巷技术时，由于煤层开采厚度较大，即便综放面端头的支架不会进行放煤，也会因开采厚度较大而引起上覆岩层结构破断时产生的剧烈运动，不可避免地对沿空留巷产生很大影响。因此爆破参数的选取是否合理，将直接影响沿空留巷效果。

随着工作面不断向前推进，当采空区顶板悬露一定面积后出现断裂，紧随出现初次来压和周期来压。受采空区空间的影响，其顶板在回转下沉过程中，先在采空区内部与底板接触，顶板邻近工作面侧煤壁的端部并不随时出现破断，此时把顶板看作悬臂梁结构[12，13]。而在预裂切缝后，留巷顶板力学模型如图3所示。

图3 留巷顶板受力模型

2.2.1 切顶高度

切顶高度选取时应考虑两方面的因素：①切顶卸压后，采空区顶板能够及时垮落并充实留巷侧采空区，对其顶板起到支撑作用；②应充分利用顶板岩层结构特征，尽量将其软弱层、岩性分层面等弱面当作切缝分界面，有利于爆破切顶后顶板及时垮落，且减弱对留巷顶板锚索锚固效果的影响[10]。

工作面推过后，采空区顶板将会随之垮塌，悬臂梁结构将沿切缝面出现回转变形，此时在切缝面上和切缝未贯穿面上将会出现回转弯矩MD，因切缝面不能承担弯矩，所以未贯穿切缝面将会承担全部的MD。采空区顶板在回转下沉时先接触底板，若要使顶板整体拉断，则作用在预裂切缝未贯穿面上的拉应力σw为[11]：

σw=MD/W

(1)

(2)

(3)

由上述公式可知，影响σw的关键是预裂切缝未贯穿面的厚度；切顶高度H0与预裂切缝未贯穿面上的拉应力σw成正比关系。因此，合理的切顶高度是保证采空区上覆关键岩层在其自重及顶板下沉所产生的上覆载荷共同影响下出现整体拉断，为切顶自成巷帮创造条件。因此，切顶留巷技术中爆破切顶的关键是切断基本顶，根据关键层理论，并结合煤层综合柱状图，初步判定煤层上方7.6m厚的细粒砂岩为基本顶，只要切断细粒砂岩方可认为采空区垮落后矸石运动对留巷的影响不大。

近年来关于切顶卸压沿空留巷技术的研究较多，并根据岩层碎胀系数确定了切顶高度H0临界公式[27]：

(4)

其中，H煤为煤厚，m；k为煤岩层的碎胀系数，通常为1.3～1.5。通过该临界经验公式进行验证基本顶高度，煤厚5.3m，岩层碎胀系数取1.45，经计算可得切顶高度H0为11.8m，切顶位置在7.6m厚的细粒砂岩层位。因此，确定切顶目标岩层为细粒砂岩，切顶高度为12.3m。

2.2.2 爆破孔参数

1)爆破孔间距。合理的爆破孔间距是切顶留巷中不可或缺部分，如果孔间距过大，导致炮孔内炸药爆炸时无法贯通形成预裂面，将会影响爆破切顶效果；如果孔间距过小，导致施工量增加且对留巷进度造成影响，还使留巷成本提高，将会失去切顶卸压沿空留巷降本增效的意义。根据相关对爆破孔间距的统计分析，爆破孔间距为200～2000mm不等，但基于煤矿沿空留巷项目中切顶爆破钻孔间距主要是500mm或600mm。因1604运输巷顶板锚杆排距为800mm，如果爆破孔间距选择500mm或600mm，可能会出现炮孔位于锚杆钢带上的情况，因此确定钻孔间距为800mm，钻孔直径为45mm。

2)爆破孔角度。在工作面回采前，沿巷道顶板边缘超前工作面一定范围内进行预裂爆破，切断采空区侧和顶板侧基本顶岩层之间的应力联系。如果爆破钻孔向回采侧偏转角度小，对留巷顶板稳定不利，维护起来比较困难；若偏转角度较大，也不利于采空区顶板垮落。理想的切顶角度应充分考虑：①爆破切顶弱面应与锚索锚固段留有适当的安全距离，尽量减弱爆破对顶板锚索支护的扰动影响；②切顶区域内采空区顶板能沿切缝及时垮塌，尽量减小顶板垮塌时对留巷侧顶板的摩擦作用；③尽量将留巷处于低应力区，对留巷维护有利[13]。

工作面推过后直接顶先垮落，随后切顶区域内基本顶与切缝面形成三铰拱结构，关键块体B产生滑落失稳的条件[13]为：

(Tcosα-Rsinα)tanφ≤Tsinα+Rcosα

(5)

经简化计算得到：

(6)

爆破孔角度的选取也是切顶留巷中关键因素之一，顶板被切断且能够顺利垮塌的前提是因直接顶自重、顶板发生下沉变形而作用到直接顶的上方荷载而出现剪切影响[16]。由于1604工作面为放顶煤工作面，开采空间较大，工作面回采后采空区顶板垮落矸石比较剧烈，且煤层有一定坡度的倾角，如果爆破孔垂直顶板施工，其钻孔方向是偏向于煤柱帮，容易造成切缝面出现较大的摩擦阻力，不利于采空区顶板的垮落且还会使巷道顶板受力较大，影响卸压效果。因此爆破孔应偏向工作面方向，爆破孔偏向工作面方向的角度越大，采空区与巷道顶板间的影响越小，二者间的应力传递越弱；但会增加爆破孔的深度，增加施工量和人工成本；并且会造成巷道顶板悬臂结构的面积增加，不利于顶板变形控制。

结合1604工作面顶板条件，以及该矿17工作面切顶卸压沿空留巷的经验，为确保采空区上覆岩层能够及时垮塌，确定钻孔倾角α(爆破孔开孔方向与煤壁夹角，偏向回采帮)为15°，钻孔倾角β(爆破孔与水平面之间的夹角，向采空区方向倾斜)为60°。

3)爆破孔深度。考虑煤层倾角、钻孔倾角等因素，钻孔深度H可通过如下临界公式计算[1，4]：

(7)

式中，H0为目标切顶高度，取12.3m；β为钻孔倾角，取60°；σ为煤层倾角，取14°；c为切缝钻孔穿透基本顶长度，取0.1m。经计算得爆破孔深度H为14.7m，取15m。

2.2.3 爆破孔装药及封孔结构

定向预裂爆破时采用具有双抗、阻燃抗静电作用的PE半管，其内径32mm、外径36mm。爆破选择矿用三级水胶炸药(直径为32mm，长200mm，重量200g)，采用水炮泥和炮泥进行封孔。

装药量将影响炮孔炸药爆破时的冲击能量，进而影响预裂效果[16]。大量现场试验表明，炮孔内炸药量过多，炸药爆破时将会破坏巷道顶板，不利于沿空留巷，并且对煤与瓦斯突出矿井造成不要的安全隐患；炮孔内炸药量过少，炸药爆破冲击能量小，对裂缝的扩展、贯通不利，起不到预裂的效果。因此，根据以往工程实践并结合现场顶板岩性，确定炮孔装药集中度为0.4kg/m。按照规定，深孔爆破时封孔深度不能小于钻孔长度的三分之一，因此封孔长度为5m，装药段为10m，装药量4kg，为20卷炸药。

为了研究是否采用定向预裂、钻孔装药的结构不一致时对爆破预裂效果的影响，现场采用3种爆破试验方案。方案一采用普通爆破的方式，采用5节2m长的PVC圆管装药，管内装药结构为“8+7+5”；方案二采用定向预裂爆破的方式，采用5节2m长的PE半管装药，管内装药结构为“8+7+5”；方案三采用定向预裂爆破的方式，采用5节2m长的PE半管装药，管内装药结构为“8+6+4+2”，如图4所示。装药结构为正向装药，炸药爆破时使用段别相同的毫秒电雷管，每次起爆炮孔5～15个。

图4 不同爆破方案装药结构

3 现场应用效果分析

根据1604运输巷顶板岩性特征，结合该矿17工作面切顶卸压爆破工程经验，通过3种不同爆破方式最终确定合理的爆破方案。按照深孔爆破封孔要求，三种方案封孔长度均是5m。

3.1 切顶爆破效果分析

为了检验不同方案爆破切缝效果，采用ZKXG-30矿用钻孔窥视仪对预裂爆破孔内裂隙扩展情况进行窥视，通过分析确定合理的预裂爆破方案。现场试验了3种爆破切顶方案，采用钻孔窥视仪进行了窥视：

1)在采用方案一普通爆破的情况下，爆破钻孔在炸药爆破后，孔内岩层形不成裂隙而是比较破碎，甚至在窥视过程中因窥视孔塌孔进入不到预定深度，说明巷道顶板上方岩层遭到不同程度的破坏，完整性较差，不利于顶板补强锚索的施工，且使顶板补强锚索无法起到悬吊的效果。根据现场观测，该方式下的爆破也对巷道顶板造成一定的破坏，并且导致该区域留巷段的顶板下沉较大。因此，该方案达不到预期切缝效果。

2)在采用方案二定向预裂爆破、装药结构为“8+7+5”的情况下，钻孔爆破后，孔内形成一定的裂隙，但裂隙成缝率较低，根据观测结果统计得到成缝率仅有51%，不利于切断巷道顶板上方关键岩层和采空区顶板及时垮落，而起不到方案设计中要求的爆破效果。

3)在采用方案三定向预裂爆破、装药结构为“8+6+4+2”的情况下，爆破钻孔爆破后，孔内形成明显的对称裂隙，且裂隙发育也较为明显，爆破成缝率达到78%，爆破效果较好，可以达到爆破切缝的要求。

综上所述，通过三种方案的对比分析，采用定向预裂爆破、装药结构为“8+6+4+2”的方式，能够满足现场切顶预裂爆破的要求，并且有利于采空区顶板的及时坍塌，还保证了巷道顶板的完整性。

3.2 留巷矿压观测效果分析

自1606工作面切眼处开始，1604运输巷切顶卸压沿空留巷试验已超过800m。留巷前100m进行不同方案的试验，再因现场施工工艺的不规范等综合因素，导致该区域留巷段不同程度的出现顶板下沉量大、底鼓严重、煤柱帮帮鼓较大以及采空区帮挡矸柱发生弯曲变形等问题。通过采用定向预裂爆破技术，改变爆破孔装药结构，规范钻孔施工及爆破工艺后，通过对留巷段的围岩变形观测，顶板下沉平均256mm，底板鼓起量最大368mm，煤柱帮最大变形为124mm，采空区帮最大变形为214mm；如图5所示，并且在滞后工作面120m后，巷道变形不再明显，基本趋于稳定。

图5 典型测点留巷变形曲线

目前1604工作面回采即将结束，留巷段巷道围岩结构基本稳定。通过上述分析可知，定向预裂爆破技术在1604综放工作面沿空留巷中实施爆破切顶后，可以将采空区和巷道上方关键岩层间的力学联系切断[19]，能够使采空区顶板沿预裂弱面及时垮落，减弱或消除了采空区顶板在回转下沉过程中对留巷顶板造成的挤压破坏，确保了留巷段围岩结构的稳定。因此，在1604综放工作面实施定向预裂爆破切顶沿空留巷技术后，留巷整体稳定性好，满足安全生产的要求。

4 结 论

1)切顶卸压沿空留巷技术中关键环节是预裂爆破的实施，不仅可以有效切断巷道顶板上方基本顶岩层，消除或减弱采空区上方关键岩层在旋转下沉、垮落过程中对巷道造成的影响，并且在保证巷道顶板完整的情况下，使深部岩层沿预定方向上形成弱面。

2)根据以往工程经验和理论研究，确定爆破钻孔深度15m，钻孔间距800mm，钻孔开孔方向与煤壁夹角为15°，钻孔倾角60°等爆破参数，并进行了现场试验，最终确定采用定向预裂爆破、装药结构为“8+6+4+2”的爆破方案，其成缝率高达78%，裂隙扩展比较明显，未对巷道表面顶板造成破坏，满足安全生产要求。

3)古汉山矿1604综放工作面沿空留巷中采用定向预裂爆破技术后，能够将巷道和采空区上覆关键岩层间的应力联系切断，爆破效果较好。留巷段顶板平均下沉量为256mm，底鼓量平均为368mm，两帮收缩平均338mm，工作面后方120m后巷道不再出现明显的变形，基本达到稳定。说明在综放工作面沿空留巷中实施定向预裂爆破技术是可行的。