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【摘 要】基于沿空留巷理论研究和现场实践，提出以改善留巷应力状态为研究中心，以顶板爆破切顶泄压理论为依据，探讨了切顶泄压爆破施工及留巷支护技术参数，通过对工作面回采过程中顶板受力状态分析，确定影响切顶卸压沿空留巷的关键参数为顶板预裂切顶高度、预裂切顶角度以及预裂爆破钻孔间距，通过超前聚能切縫，沿巷道走向切开一条裂缝，缩短采空区侧悬臂梁的长度，减少采空区顶板压力向留巷的传递，控制上覆岩层的回转和下沉变形，实现卸压。
【关键词】切顶泄压;沿空留巷;预裂爆破
0 引言
章村矿开采历史已近百年，随着开采水平的不断延伸，矿井战线越来越长，矿井运输环节多、通风路线长、矿井开采顶板压力大等一系列难题长期制约矿井发展，特别是自2007年矿井转入-200水平西翼开采以来，地质条件更为复杂，煤层薄，规划采区面积小，进行单翼开采，无法实施跳采，在此情况下，章村矿引进并制定适合本矿的沿空留巷技术，自4224采区开始推广应用，取得了较好的经济和社会效益。随着生产采区转移至目前的4226、4231采区，由于生产地质条件的变化以及沿空留巷工艺的革新，原有的留巷工艺越来越不适用于现有采区，留巷底鼓、帮鼓变形量大，维护成本高，因此，在原有留巷基础上，结合采区生产地质条件以及当前沿空留巷新工艺，改进当前沿空留巷施工工艺势在必行。
1 预裂爆破切顶泄压技术原理
预裂爆破切顶卸压留巷技术是一种新型的沿空留巷方式，该技术通过超前聚能切缝，形成切缝结构面，利用采空区碎胀的矸石进行护巷。由于切缝改变了顶板岩层结构连接状态，切断了巷道顶板与采空区顶板岩层间的应力传递路径，巷道围岩应力环境得到改善。其中，顶板预裂切缝是该技术的关键工艺之一，切缝效果的好坏不仅影响到采空侧矸石能否垮满充实，而且对巷道的变形控制起关键作用。
预裂爆破切顶卸压留巷技术平面原理如图1所示，技术核心是通过顶板预裂切缝，增大采空区顶板岩体的碎胀体积，借助矿山压力并利用碎胀的矸石进行护巷，从而实现无煤柱开采。切缝前，巷道顶板和采空区顶板是一个结构整体，两者运动状态基本保持同步;切缝后，两者顶板结构连接状态发生改变。采空区顶板岩体在周期来压作用下沿切缝结构面切断滑落，跨落后的矸石成为护巷体。而巷道顶板则利用锚索进行补强支护，保持原有状态不变。由于切缝后巷道顶板由长臂岩梁转化为短臂岩梁，一定程度上减小了悬臂荷载，有利于巷道稳定，断面原理如图2所示。
2 聚能切缝机制
预裂爆破切顶泄压留巷成功实施的关键技术之一是顶板聚能切缝，通过预先在爆破孔内安装的聚能管，实现定向爆破。聚能管两侧有定向聚能槽，爆破时从槽内释放能量流。由于聚能装置的压缩性较小，作用过程中爆破能量主要以动能形式释放，避免了爆生气体膨胀引起的能量分散，从而沿设定方向形成高能流，集中作用于设定方向上。聚能爆破时，爆轰会产生高温、高压、高速气体，由于聚能部位为薄弱面，爆生气体沿聚能孔方向驱动裂纹，形成强有力的“气楔”，在垂直于设定方向上产生反射拉应力作用，裂纹不断损伤扩展，最终使顶板岩体沿设定方向拉张开裂。因此，聚能爆破实质是通过聚能装置使爆轰产物在孔壁非设定方向上产生均匀压力，而在设定的两个方向上产生集中拉力，实现岩体定向拉张成缝。
D型聚能管如图3所示，聚能爆破受力模型如图4所示。
3 工程地质条件
2下3103工作面为4231采区首个2下煤开采工作面，该工作面北部为一北东向的向斜构造，向斜轴走向221度，向斜轴部及附近裂隙较发育。本面煤层厚度0.8～2.6米，平均1.6米，倾角6～19度，平均8度;工作面直接顶为砂质泥岩，老顶为细粒砂岩，直接底为泥岩，厚2.01米，老底为砂质泥岩。顶底板岩性情况见表1。
4 预裂爆破切顶泄压关键参数设计
4.1 预裂切顶高度H
预裂爆破切顶的目的一是保证采空区顶板垮落的矸石充满采空区，二是切断直接顶顶板压力由于垮落发生回转失稳后压力向留巷内的传递通道。根据章村矿以往留巷过程中存在底鼓严重的问题，结合2下3103工作面煤层顶板岩性情况，为了达到充分卸压的目的，根据切顶卸压机理，应该切到关键层。
根据矿压理论，切顶高度可按下式进行计算：
另外根据目前国内切顶卸压沿空留巷经验，合理预裂切缝深度（hc）设计一般大于2.6 倍采高，即hc≥2.6hf，计算hc≥5.2m。
综合考虑上述计算结果，同时根据2下3103工作面综合柱状图得知，直接顶为泥质砂岩，厚2.25米，老顶为细砂岩，厚6.44米，因此，切顶高度应切到老顶细砂岩层位，故选择切缝深度为9米。
4.2 切顶位置S
切缝孔位置为钻孔开孔处与工作面回采帮之间的水平距离，2下3103工作面所留巷道为运煤巷，根据切顶卸压沿空留巷技术原理，切缝位置S越小越好，但由于钻车作业空间施工以及考虑巷道煤帮变形等因素影响，切缝位置S需要取一定的数值，综合工作面运煤巷巷道布置以及围岩变性条件，确定切缝位置S=450mm，且钻孔施工期间保证切缝孔在一条直线上。
4.3 切顶倾角β
切缝孔倾角β是指在巷道断面图中，钻孔与竖直方向的夹角。切缝孔倾角β要考虑切顶后，基本顶断裂位置以及切顶线上方基本顶悬露长度等影响因素。结合2下3103运煤巷顶板厚度及切顶卸压专用钻机的施工情况，确定切缝孔倾角β=15°。
切顶高度、切顶位置、切顶倾角如图5所示。
4.4预裂爆破孔孔径d和间距L
从理论上来说，切缝钻孔孔径越大，其炮孔间距也可以随之放大，但限于施工机具问题，钻孔直径不可能很大，目前，国内井下施工孔径一般在30～110mm之间，同时，孔径及孔距的设计还要充分考虑顶板岩性情况。根据2下3103工作面运煤巷顶板围岩条件，结合原2608工作面施工经验，同时考虑施工机具等原因，确定爆破卸压孔直径为42mm，眼距为600mm。每隔10个炮孔施工一个观测孔。打眼机具采用CMM2-8煤矿用液压锚杆钻车， 5 预裂爆破切顶泄压沿空留巷施工工艺
5.1超前加固锚索施工
为提高留巷整体支护强度，在工作面超前煤壁前方50m～70m以外工作面煤壁侧距巷中1200mm处布置一道切顶锚索，在巷道中心线偏非空区侧300mm处布置一道加固锚索，锚索垂直顶板施工，顺巷布置。锚索采用Φ21.8、L8300mm钢绞线锚索，采用树脂药卷CK2335一卷、Z2360两卷锚固，锚索梁均采用14#槽钢制作，切顶锚索梁长1.2m，加固锚索梁长2.8m，切顶锚索梁一梁两孔，加固锚索梁一梁三孔，锚索布置及间排距如图7所示。
5.2切顶钻孔施工及爆破
超前工作面煤壁30～50米范围施工切缝钻孔并实施爆破，切缝钻孔施工时，按照设计要求，以巷道中线为基准，沿采煤侧巷道顶板准确标出各钻孔位置，钻孔表面布置在一条直线上要保证施工位置，现场必须挂线施工;调整钻机位置，使钻机钻臂（即钻杆）在三维空间上与水平面成75°，与上述钻孔连线垂直，并准备好角度测量仪器，确保开孔角度符合设计要求;使用直径为42mm 的专用钻头，按照上述角度，在巷道顶板钻孔标注位置准确定位，并进行钻进施工，钻进深度为9000mm，准确操作钻机，保证成孔平直度。
爆破后，通过隔爆相机对巷道表面进行照相，同时，通过钻孔自动成像仪对孔内预裂缝孔内扩展情况进行检测。观测结果如图8所示。
通过巷道表面及孔内爆破后形成裂缝观测分析，放炮后，预裂切缝基本沿设计方向延伸，孔内预裂效果良好，同时，在放炮后现场观测时，观测孔内有明显的炮烟，说明孔与孔之间通过爆破瞬间张开的裂缝实现了贯通，预裂爆破达到了切顶的目的。
6 切顶泄压沿空留巷变形分析
为更好地对比分析留巷变形量，章村矿在2下3103工作面运煤巷留巷段在实施预裂爆破段与未实施预裂爆破段分别进行设站观测，每10米一个观测站，通过观测站观测变形，实施预裂爆破泄压后段巷道变形情况如下
（1）两帮变形量：预裂爆破泄压后，该段煤壁侧帮鼓变形量在300～400mm左右，锚杆支护仍然具有支护作用，仅局部段有变形量较大造成片帮，锚杆支护失效情况;而里段未实施预裂爆破段巷道帮鼓变形量在700～1000mm之间，巷道变形量较大，帮锚杆支护几近于失效，巷道后路卧底整修时，需要进行扩帮整修，维护工作量大。
（2）顶板下沉量：通过观测数据分析，顶板无论是预裂爆破泄压段，还是未爆破泄压段，顶板下沉量相差不大，说明，在留巷空区侧顶板跨落后，顶板均发生一定程度回转，之后在各方支护力协同作用下达到平衡。
（3）底鼓量：底鼓变形量相差较大，实施预裂爆破段留巷底鼓变形量在400～600mm之间，而未实施预裂爆破段留巷底鼓变形量在1000～1200mm之间，最大能达到1500mm，说明预裂爆破后通过切断顶板压力传递方向，留巷压力大为减小，使得底鼓变形大大减小，从而降低了留巷维护量。
沿空留巷顶底、两帮变形量如图10所示。
7 结论
根据章村矿2下3103工作面顶底板围岩条件，分析沿空留巷特点，通过理论计算、受力分析及现场实测等手段进行了预裂爆破卸壓技术研究，研究结论如下：
（1）对比当前国内所应用的各种聚能爆破技术，针对章村矿2下3103工作面围岩条件，发现采用D性聚能管实施预裂爆破，通过窥视仪器观测，爆破后预裂效果良好，说明该聚能管聚能效果良好，钻孔爆破设计参数设计合理。
（2）通过在工作面煤壁前方加打超前加固锚索，提高留巷自身支撑强度，使其形成一个完整的整体，对控制留巷顶板变形至关重要。
（3）实施预裂爆破切顶泄压技术后，靠近切缝线工作面约30米范围，工作面支架工作阻力有明显下降趋势，说明切顶后应力向远离切缝线处传递转移，切缝泄压对工作面应力传递起到关键性作用。
（4）预裂爆破切顶泄压后，留巷顶板压力降低趋势明显，对比留巷架后承压段（架后120米范围）单体支护阻力，靠空区侧单体支护阻力较大，说明该处所受压力最大，是控制留巷顶板变形的关键。
（5）采用预裂爆破泄压后，无论是帮鼓变形、底鼓变形以及顶板变形，都实现了大幅下降，其中，尤以困扰章村矿以往沿空留巷过程中帮鼓、底鼓变形量大，维护量大的难题得到大为改善，变形量大大降低，帮鼓变形量减少400mm左右（相较原来留巷减少50%），底鼓变形量减少800mm以上（相较原来留巷变形量减少67%），减少了维护成本。
（作者单位：冀中能源股份有限公司章村矿）
【关键词】切顶泄压;沿空留巷;预裂爆破
0 引言
章村矿开采历史已近百年，随着开采水平的不断延伸，矿井战线越来越长，矿井运输环节多、通风路线长、矿井开采顶板压力大等一系列难题长期制约矿井发展，特别是自2007年矿井转入-200水平西翼开采以来，地质条件更为复杂，煤层薄，规划采区面积小，进行单翼开采，无法实施跳采，在此情况下，章村矿引进并制定适合本矿的沿空留巷技术，自4224采区开始推广应用，取得了较好的经济和社会效益。随着生产采区转移至目前的4226、4231采区，由于生产地质条件的变化以及沿空留巷工艺的革新，原有的留巷工艺越来越不适用于现有采区，留巷底鼓、帮鼓变形量大，维护成本高，因此，在原有留巷基础上，结合采区生产地质条件以及当前沿空留巷新工艺，改进当前沿空留巷施工工艺势在必行。
1 预裂爆破切顶泄压技术原理
预裂爆破切顶卸压留巷技术是一种新型的沿空留巷方式，该技术通过超前聚能切缝，形成切缝结构面，利用采空区碎胀的矸石进行护巷。由于切缝改变了顶板岩层结构连接状态，切断了巷道顶板与采空区顶板岩层间的应力传递路径，巷道围岩应力环境得到改善。其中，顶板预裂切缝是该技术的关键工艺之一，切缝效果的好坏不仅影响到采空侧矸石能否垮满充实，而且对巷道的变形控制起关键作用。
预裂爆破切顶卸压留巷技术平面原理如图1所示，技术核心是通过顶板预裂切缝，增大采空区顶板岩体的碎胀体积，借助矿山压力并利用碎胀的矸石进行护巷，从而实现无煤柱开采。切缝前，巷道顶板和采空区顶板是一个结构整体，两者运动状态基本保持同步;切缝后，两者顶板结构连接状态发生改变。采空区顶板岩体在周期来压作用下沿切缝结构面切断滑落，跨落后的矸石成为护巷体。而巷道顶板则利用锚索进行补强支护，保持原有状态不变。由于切缝后巷道顶板由长臂岩梁转化为短臂岩梁，一定程度上减小了悬臂荷载，有利于巷道稳定，断面原理如图2所示。
2 聚能切缝机制
预裂爆破切顶泄压留巷成功实施的关键技术之一是顶板聚能切缝，通过预先在爆破孔内安装的聚能管，实现定向爆破。聚能管两侧有定向聚能槽，爆破时从槽内释放能量流。由于聚能装置的压缩性较小，作用过程中爆破能量主要以动能形式释放，避免了爆生气体膨胀引起的能量分散，从而沿设定方向形成高能流，集中作用于设定方向上。聚能爆破时，爆轰会产生高温、高压、高速气体，由于聚能部位为薄弱面，爆生气体沿聚能孔方向驱动裂纹，形成强有力的“气楔”，在垂直于设定方向上产生反射拉应力作用，裂纹不断损伤扩展，最终使顶板岩体沿设定方向拉张开裂。因此，聚能爆破实质是通过聚能装置使爆轰产物在孔壁非设定方向上产生均匀压力，而在设定的两个方向上产生集中拉力，实现岩体定向拉张成缝。
D型聚能管如图3所示，聚能爆破受力模型如图4所示。
3 工程地质条件
2下3103工作面为4231采区首个2下煤开采工作面，该工作面北部为一北东向的向斜构造，向斜轴走向221度，向斜轴部及附近裂隙较发育。本面煤层厚度0.8～2.6米，平均1.6米，倾角6～19度，平均8度;工作面直接顶为砂质泥岩，老顶为细粒砂岩，直接底为泥岩，厚2.01米，老底为砂质泥岩。顶底板岩性情况见表1。
4 预裂爆破切顶泄压关键参数设计
4.1 预裂切顶高度H
预裂爆破切顶的目的一是保证采空区顶板垮落的矸石充满采空区，二是切断直接顶顶板压力由于垮落发生回转失稳后压力向留巷内的传递通道。根据章村矿以往留巷过程中存在底鼓严重的问题，结合2下3103工作面煤层顶板岩性情况，为了达到充分卸压的目的，根据切顶卸压机理，应该切到关键层。
根据矿压理论，切顶高度可按下式进行计算：
另外根据目前国内切顶卸压沿空留巷经验，合理预裂切缝深度（hc）设计一般大于2.6 倍采高，即hc≥2.6hf，计算hc≥5.2m。
综合考虑上述计算结果，同时根据2下3103工作面综合柱状图得知，直接顶为泥质砂岩，厚2.25米，老顶为细砂岩，厚6.44米，因此，切顶高度应切到老顶细砂岩层位，故选择切缝深度为9米。
4.2 切顶位置S
切缝孔位置为钻孔开孔处与工作面回采帮之间的水平距离，2下3103工作面所留巷道为运煤巷，根据切顶卸压沿空留巷技术原理，切缝位置S越小越好，但由于钻车作业空间施工以及考虑巷道煤帮变形等因素影响，切缝位置S需要取一定的数值，综合工作面运煤巷巷道布置以及围岩变性条件，确定切缝位置S=450mm，且钻孔施工期间保证切缝孔在一条直线上。
4.3 切顶倾角β
切缝孔倾角β是指在巷道断面图中，钻孔与竖直方向的夹角。切缝孔倾角β要考虑切顶后，基本顶断裂位置以及切顶线上方基本顶悬露长度等影响因素。结合2下3103运煤巷顶板厚度及切顶卸压专用钻机的施工情况，确定切缝孔倾角β=15°。
切顶高度、切顶位置、切顶倾角如图5所示。
4.4预裂爆破孔孔径d和间距L
从理论上来说，切缝钻孔孔径越大，其炮孔间距也可以随之放大，但限于施工机具问题，钻孔直径不可能很大，目前，国内井下施工孔径一般在30～110mm之间，同时，孔径及孔距的设计还要充分考虑顶板岩性情况。根据2下3103工作面运煤巷顶板围岩条件，结合原2608工作面施工经验，同时考虑施工机具等原因，确定爆破卸压孔直径为42mm，眼距为600mm。每隔10个炮孔施工一个观测孔。打眼机具采用CMM2-8煤矿用液压锚杆钻车， 5 预裂爆破切顶泄压沿空留巷施工工艺
5.1超前加固锚索施工
为提高留巷整体支护强度，在工作面超前煤壁前方50m～70m以外工作面煤壁侧距巷中1200mm处布置一道切顶锚索，在巷道中心线偏非空区侧300mm处布置一道加固锚索，锚索垂直顶板施工，顺巷布置。锚索采用Φ21.8、L8300mm钢绞线锚索，采用树脂药卷CK2335一卷、Z2360两卷锚固，锚索梁均采用14#槽钢制作，切顶锚索梁长1.2m，加固锚索梁长2.8m，切顶锚索梁一梁两孔，加固锚索梁一梁三孔，锚索布置及间排距如图7所示。
5.2切顶钻孔施工及爆破
超前工作面煤壁30～50米范围施工切缝钻孔并实施爆破，切缝钻孔施工时，按照设计要求，以巷道中线为基准，沿采煤侧巷道顶板准确标出各钻孔位置，钻孔表面布置在一条直线上要保证施工位置，现场必须挂线施工;调整钻机位置，使钻机钻臂（即钻杆）在三维空间上与水平面成75°，与上述钻孔连线垂直，并准备好角度测量仪器，确保开孔角度符合设计要求;使用直径为42mm 的专用钻头，按照上述角度，在巷道顶板钻孔标注位置准确定位，并进行钻进施工，钻进深度为9000mm，准确操作钻机，保证成孔平直度。
爆破后，通过隔爆相机对巷道表面进行照相，同时，通过钻孔自动成像仪对孔内预裂缝孔内扩展情况进行检测。观测结果如图8所示。
通过巷道表面及孔内爆破后形成裂缝观测分析，放炮后，预裂切缝基本沿设计方向延伸，孔内预裂效果良好，同时，在放炮后现场观测时，观测孔内有明显的炮烟，说明孔与孔之间通过爆破瞬间张开的裂缝实现了贯通，预裂爆破达到了切顶的目的。
6 切顶泄压沿空留巷变形分析
为更好地对比分析留巷变形量，章村矿在2下3103工作面运煤巷留巷段在实施预裂爆破段与未实施预裂爆破段分别进行设站观测，每10米一个观测站，通过观测站观测变形，实施预裂爆破泄压后段巷道变形情况如下
（1）两帮变形量：预裂爆破泄压后，该段煤壁侧帮鼓变形量在300～400mm左右，锚杆支护仍然具有支护作用，仅局部段有变形量较大造成片帮，锚杆支护失效情况;而里段未实施预裂爆破段巷道帮鼓变形量在700～1000mm之间，巷道变形量较大，帮锚杆支护几近于失效，巷道后路卧底整修时，需要进行扩帮整修，维护工作量大。
（2）顶板下沉量：通过观测数据分析，顶板无论是预裂爆破泄压段，还是未爆破泄压段，顶板下沉量相差不大，说明，在留巷空区侧顶板跨落后，顶板均发生一定程度回转，之后在各方支护力协同作用下达到平衡。
（3）底鼓量：底鼓变形量相差较大，实施预裂爆破段留巷底鼓变形量在400～600mm之间，而未实施预裂爆破段留巷底鼓变形量在1000～1200mm之间，最大能达到1500mm，说明预裂爆破后通过切断顶板压力传递方向，留巷压力大为减小，使得底鼓变形大大减小，从而降低了留巷维护量。
沿空留巷顶底、两帮变形量如图10所示。
7 结论
根据章村矿2下3103工作面顶底板围岩条件，分析沿空留巷特点，通过理论计算、受力分析及现场实测等手段进行了预裂爆破卸壓技术研究，研究结论如下：
（1）对比当前国内所应用的各种聚能爆破技术，针对章村矿2下3103工作面围岩条件，发现采用D性聚能管实施预裂爆破，通过窥视仪器观测，爆破后预裂效果良好，说明该聚能管聚能效果良好，钻孔爆破设计参数设计合理。
（2）通过在工作面煤壁前方加打超前加固锚索，提高留巷自身支撑强度，使其形成一个完整的整体，对控制留巷顶板变形至关重要。
（3）实施预裂爆破切顶泄压技术后，靠近切缝线工作面约30米范围，工作面支架工作阻力有明显下降趋势，说明切顶后应力向远离切缝线处传递转移，切缝泄压对工作面应力传递起到关键性作用。
（4）预裂爆破切顶泄压后，留巷顶板压力降低趋势明显，对比留巷架后承压段（架后120米范围）单体支护阻力，靠空区侧单体支护阻力较大，说明该处所受压力最大，是控制留巷顶板变形的关键。
（5）采用预裂爆破泄压后，无论是帮鼓变形、底鼓变形以及顶板变形，都实现了大幅下降，其中，尤以困扰章村矿以往沿空留巷过程中帮鼓、底鼓变形量大，维护量大的难题得到大为改善，变形量大大降低，帮鼓变形量减少400mm左右（相较原来留巷减少50%），底鼓变形量减少800mm以上（相较原来留巷变形量减少67%），减少了维护成本。
（作者单位：冀中能源股份有限公司章村矿）