煤礦井下切頂卸壓圍巖支護(hù)方案的研究

宋雷庭

(山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 高平 048400)

引 言

煤礦井下支護(hù)穩(wěn)定性直接關(guān)系到煤礦綜采作業(yè)效率和綜采安全，井下的支護(hù)穩(wěn)定性受多重因素的影響，特別是在綜采作業(yè)深度不斷增加、巷道地質(zhì)條件愈加復(fù)雜的情況下，傳統(tǒng)的單純依靠加強(qiáng)支護(hù)的方案已經(jīng)無法滿足綜采作業(yè)效率日趨提升的需求[1]，因此如何保證在不增加支護(hù)周期、支護(hù)成本的情況下提高圍巖支護(hù)穩(wěn)定性，便成了各煤炭生產(chǎn)企業(yè)不斷探索的核心問題。針對現(xiàn)有煤礦井下圍巖結(jié)構(gòu)支護(hù)穩(wěn)定性差，易垮落，影響井下支護(hù)穩(wěn)定性的現(xiàn)狀，本文提出了一種新的井下切頂卸壓圍巖支護(hù)方案，其采用了聚能拉伸爆破方案，即能夠?qū)敯搴蛧鷰r的有效切割，切斷礦壓波動(dòng)的傳遞途徑而且還能實(shí)現(xiàn)定向爆破切割，確保巷道頂板的穩(wěn)定性，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明該方案能夠?qū)⑾锏绹鷰r兩幫的變形量降低69.4%以上，顯著的提升了煤礦井下巷道圍巖的支護(hù)穩(wěn)定性和綜采作業(yè)效率，具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 巷道圍巖變形機(jī)理分析

為了對煤礦井下巷道圍巖的變形原因進(jìn)行分析，以典型復(fù)雜深層采區(qū)綜采巷道地質(zhì)結(jié)構(gòu)為研究對象，該巷道的埋深約為710 m，綜采面的長度約為207 m，采用了大采高機(jī)械綜采方案，頂板管理采用了全垮落頂板管理方案，井下煤層的平均厚度約為5.7 m，巷道的平均傾角約為3.2°，頂板以泥質(zhì)粉砂巖為主，底板以細(xì)砂巖為主，屬于較為典型的深層不穩(wěn)定煤層地質(zhì)條件。在不同深度煤層下不是單回路地應(yīng)力測量系統(tǒng)[2]，對地質(zhì)應(yīng)力波動(dòng)情況進(jìn)行研究，不同深度情況下的監(jiān)測結(jié)果，如圖1所示。

圖1 不同深度地質(zhì)條件下的應(yīng)力變化曲線

由圖1可知，隨著地層深度的增加，巷道內(nèi)的水平應(yīng)力和豎直應(yīng)力均成顯著增加的趨勢，特別是當(dāng)?shù)貙由疃瘸^550 m后，會產(chǎn)生劇烈的礦壓波動(dòng)增加現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道圍巖受到極大的沖擊壓力，進(jìn)而影響巷道圍巖的支護(hù)穩(wěn)定性。同時(shí)由于在井下進(jìn)行機(jī)械化大采高綜采作業(yè)時(shí)，會進(jìn)一步導(dǎo)致對巷道圍巖的沖擊作用，使采空區(qū)域巷道頂板的不穩(wěn)定性加劇，不可避免的會導(dǎo)致巷道圍巖的變形，因此煤礦井下巷道圍巖變形的主要原因在于井下礦壓波動(dòng)和綜采擾動(dòng)情況下導(dǎo)致巷道圍巖支護(hù)不穩(wěn)，需要通過一定的方案控制礦壓波動(dòng)對巷道圍巖的影響或者加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。

2 定向預(yù)裂成縫泄壓技術(shù)

由于井下巷道圍巖和巷道頂板的連續(xù)性，一旦發(fā)生礦壓波動(dòng)，將直接傳遞給圍巖，引起圍巖的變形，因此降低礦壓波動(dòng)影響的最好方案是對圍巖和頂板連接部分進(jìn)行切割，阻斷礦壓波動(dòng)傳遞的途徑。因此提出了定向預(yù)裂成縫泄壓技術(shù)方案[3]。將預(yù)裂縫的位置設(shè)置到巷道頂板和圍巖的交界處，其核心在于既要確保對頂板和圍巖的有效切割，而且還不能影響巷道頂板的完整性，避免產(chǎn)生更大范圍的垮塌，傳統(tǒng)的爆破工程方案極易出現(xiàn)爆破藥不足或者超標(biāo)的情況，難以實(shí)現(xiàn)精確的爆破控制。

本文所提出的定向預(yù)裂成縫泄壓技術(shù)則是利用巷道圍巖的耐壓怕拉的特性，在爆破孔內(nèi)設(shè)置聚能爆破裝置，控制爆破時(shí)的爆破方向，使爆破沖擊波向著孔壁內(nèi)側(cè)產(chǎn)生均勻分布的壓力，從而實(shí)現(xiàn)對巖體的定向拉張爆破，聚能拉伸爆破模型結(jié)構(gòu)，如圖2所示[4]。

圖2 聚能爆破沖擊模型

聚能拉伸爆破在實(shí)施的過程中，通過聚能裝置的定向作業(yè)，在聚能爆破方向上形成一個(gè)初始的預(yù)裂縫，然后在聚能裝置充分釋放的爆裂沖擊力的作用下沿著預(yù)裂縫進(jìn)行能量釋放，使裂紋沿著預(yù)裂縫充分的擴(kuò)展，既能夠很好的控制預(yù)裂縫的走向，又能夠提升爆破縫的爆破深度，實(shí)現(xiàn)了充分預(yù)裂和確保 頂板完整性的統(tǒng)一。

以煤礦井下常見的10 m、12 m、14 m切頂高度為研究對象，對爆破方案進(jìn)行研究，根據(jù)多次井下實(shí)際爆破驗(yàn)證，確定了不同切頂高度情況下的聚能拉伸爆破時(shí)的爆破方案。當(dāng)切頂高度為10 m時(shí)爆破孔的深度設(shè)置為10 m～12 m，間距為2.4 m，排距為3.8 m，每個(gè)爆破孔內(nèi)設(shè)置5組聚能爆破管，孔口的封裝長度為2.5 m。切頂高度為12 m時(shí)爆破孔的深度設(shè)置為12 m～14 m，間距為2 m，排距為3.5 m，每個(gè)爆破孔內(nèi)設(shè)置6組聚能爆破管，孔口的封裝長度為2.5 m。切頂高度為14m時(shí)爆破孔的深度設(shè)置為14 m～16 m，間距為1.8 m，排距為3 m，每個(gè)爆破孔內(nèi)設(shè)置7組聚能爆破管，孔口的封裝長度為2.5 m。

3 應(yīng)用效果分析

對采用定向預(yù)裂成縫泄壓技術(shù)后的煤礦井下兩幫移近量情況進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)分別選擇切頂高度為10 m，切頂高度為12 m，切頂高度為14 m情況下的狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同切頂高度情況下的兩幫移近量分析

由圖3可知，優(yōu)化后巷道兩幫的移近量隨著距離工作面長度的增加而逐漸增大，然后趨于穩(wěn)定，切頂高度越大兩幫的移近量就越小，當(dāng)切頂高度為12 m和14 m的情況下距離工作面的長度超過80 m后兩幫的移近量基本趨于穩(wěn)定，最大變形量約為205 mm，比優(yōu)化前降低了72.1%。當(dāng)切頂高度為10 m時(shí)，距離工作面的長度超過152 m后兩幫的移近量趨于穩(wěn)定，最大變形量約為247 mm，比優(yōu)化前降低了69.4%。由此可知，采用新的切頂卸壓方案后，能夠有效的降低井下地質(zhì)礦壓波動(dòng)對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，可以在不改變現(xiàn)有支護(hù)條件下顯著提升巷道圍巖的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文提出的一種新的井下切頂卸壓圍巖支護(hù)方案，該方案以定向預(yù)裂成縫泄壓技術(shù)為核心，采用聚能爆破方案，實(shí)現(xiàn)了在不影響頂板穩(wěn)定性情況下對頂板和圍巖連接處的有效切割，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1) 煤礦井下巷道圍巖變形的主要原因在于井下礦壓波動(dòng)和綜采擾動(dòng)情況下導(dǎo)致巷道圍巖支護(hù)不穩(wěn)，最好方案是對圍巖和頂板連接部分進(jìn)行切割，阻斷礦壓波動(dòng)傳遞的途徑，從而確保巷道圍巖的支護(hù)穩(wěn)定性。

2) 切頂卸壓圍巖支護(hù)方案，通過聚能裝置的定向作業(yè)，在聚能爆破方向上形成一個(gè)初始的預(yù)裂縫，既能夠很好的控制預(yù)裂縫的走向，又能夠提升爆破縫的爆破深度，實(shí)現(xiàn)了充分預(yù)裂和確保頂板完整性的統(tǒng)一。

3) 采用新的切頂卸壓方案，能夠?qū)⑾锏绹鷰r的兩幫變形量降低69.4%以上，實(shí)現(xiàn)在不改變現(xiàn)有支護(hù)條件下顯著提升巷道圍巖的穩(wěn)定性。