玉溪煤礦大采高工作面頂板定向爆破切頂卸壓技術(shù)研究與應(yīng)用

焦云剛

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 沁水 048214）

1 工程概況

玉溪煤礦位于沁水煤田南部，井田共劃分為2個盤區(qū)，礦井主采3 號煤層，1301 工作面為礦井首采工作面，工作面位于井田南部的一盤區(qū)，工作面北部、南部和東部均為實(shí)體煤，西部為盤區(qū)大巷，具體工作面位置如圖1 所示。工作面區(qū)域內(nèi)3 號煤層厚度為5.12～7.20 m，平均厚度為5.85 m，煤層直接頂為泥巖，均厚為2.4 m，基本頂為中粒砂巖，均厚為5.3 m，巖層致密堅硬。1301 工作面布置5 條回采巷道，工作面采用“三進(jìn)兩回”的通風(fēng)方式，采用大采高一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板。

圖1 1301 工作面布置及井下位置圖

1301 回風(fēng)順槽2，斷面寬5.7 m，高3.8 m，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，原有設(shè)計方案采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道支護(hù)斷面如圖1，頂板和兩幫錨桿間排距分別為：940 mm×1 000 mm 和900 mm×1 000 mm，錨索間排距2 400 mm×2 000 mm。根據(jù)1301 工作面回采期間的礦壓觀測可知，采動影響下回風(fēng)順槽2 在現(xiàn)有支護(hù)下變形嚴(yán)重，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平看螅瑹o法滿足巷道使用要求，基于工作面賦存特征，擬在1301回風(fēng)順槽1 內(nèi)采用切頂卸壓發(fā)方案，以保障回風(fēng)順槽2 巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖2 1301 工作面回風(fēng)順槽2 支護(hù)斷面圖

2 頂板定向爆破切頂卸壓理論

頂板定向爆破切頂卸壓技術(shù)是基于“切頂短臂梁理論”發(fā)展而來的一種圍巖控制技術(shù)，切頂卸壓的關(guān)鍵工序在于頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂切縫。通過在頂板巖層中打孔，裝入聚能管，在聚能管內(nèi)安裝乳化炸藥，通過炸藥的張拉應(yīng)力使得巖體在產(chǎn)生裂縫，采用頂板定向爆破技術(shù)在頂板切頂完成后，能夠在回采巷道的煤柱一側(cè)形成一道定向預(yù)裂縫，該裂縫能夠有效切斷頂板應(yīng)力傳遞路徑[1-3]。

頂板定向爆破主要通過采用聚能管內(nèi)裝入炸藥，利用炸藥產(chǎn)生的爆轟沖擊波沿著聚能管的設(shè)定方向沿槽縫向兩側(cè)傳播，最終在孔壁處形成強(qiáng)烈的沖擊力，進(jìn)而在鉆孔孔壁處形成初始裂隙，由于聚能管具有定向集中效果，其能夠使得爆破產(chǎn)生的沖擊波集中向一個方向傳遞，故采用聚能管進(jìn)行爆破作業(yè)時，能夠形成的初始裂隙更長，初始裂隙會在爆生氣體、衰減應(yīng)力波和準(zhǔn)靜壓作用下逐漸擴(kuò)展。頂板定向爆破的爆炸過程及裝藥與普通爆破相同，其差別主要是通過聚能管加大藥卷對巖體實(shí)現(xiàn)定向壓力，進(jìn)而在鉆孔兩側(cè)巖體內(nèi)形成貫穿裂隙[4-5]。具體頂板定向爆破原理如圖3 所示。

圖3 頂板定向預(yù)裂切縫技術(shù)原理圖

根據(jù)頂板定向預(yù)裂切縫技術(shù)原理，結(jié)合1301 工作面的賦存情況，采用以“切頂卸壓+單體柱臨時支護(hù)+錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)”的圍巖控制方案，通過頂板定向爆破有效切斷頂板應(yīng)力傳遞，減弱巷道頂板壓力峰值，減小頂板超前壓力影響范圍，達(dá)到減小相鄰順槽變形的目的，通過采用臨時支護(hù)來保障爆破瞬間頂板的穩(wěn)定。隨著工作面的不斷推進(jìn)，將砌體梁轉(zhuǎn)化為切頂斷臂梁，減小工作面采動對相鄰順槽的壓力。

3 切頂卸壓方案及效果

3.1 切頂卸壓方案

根據(jù)1301 工作面的具體地質(zhì)條件，結(jié)合頂板定向爆破切頂卸壓理論，以“切頂卸壓+單體柱臨時支護(hù)+ 錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)”為主體思路進(jìn)行圍巖控制，具體切頂卸壓方案如下：

3.1.1 切頂卸壓鉆孔參數(shù)

1）切頂高度：根據(jù)眾多理論分析結(jié)果[6]，切頂鉆孔深度采用下式計算：

式中：Hf為切縫高度；K為碎脹系數(shù)，一般為1.3～1.5；H為工作面采高；ΔH1為頂板下沉量；ΔH2為底板鼓起量；根據(jù)玉溪煤業(yè)3 號煤層頂板巖層為泥巖、中粒砂巖，本設(shè)計K按1.35 取值，根據(jù)資料顯示，煤厚變化不大，取工作面最大采高H= 6.2 m時，計算得出Ha=18 m，根據(jù)鉆孔柱狀圖，該切縫深度正好將巷道頂板上方的砂巖切斷，故頂深度確定為頂板向上18 m。

2）切頂角度：根據(jù)1301 工作面最大采高為6.2 m，基于眾多切頂實(shí)踐結(jié)果，確定切縫角度為0°。

3）鉆孔間距: 根據(jù)1301 工作面賦存情況，為保證最終的切縫效果，結(jié)合眾多工程實(shí)踐結(jié)果，確定炮孔間距500 mm。

4）切縫孔布置方式：1301 工作面回風(fēng)順槽1 切縫孔距煤柱幫500 mm，鉆孔平行巷道頂板布置，切縫孔φ52 mm，深度18 m，間距500 mm，角度0° ，切縫鉆孔布置如圖4。

圖4 1301 工作面回風(fēng)順槽1 內(nèi)切縫孔布置方式圖

3.1.2 頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂爆破方式及裝藥結(jié)構(gòu)

本次頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂爆裝藥方式可采用4 孔連續(xù)裝藥隔1 個孔，預(yù)裂爆破采用D 型聚能管不耦和裝藥，D 型聚能管外徑33 mm，單根聚能管長度2 m，精準(zhǔn)定向預(yù)裂爆破采用三級煤礦乳化炸藥。為保障爆破質(zhì)量，每根聚能管內(nèi)安裝2 發(fā)雷管，雷管內(nèi)炸藥采用正向裝藥方式，雷管間采用并聯(lián)進(jìn)行連接，炮孔間炸藥采用串連連接。在鉆孔內(nèi)安裝聚能管時，必粗保障聚能管的扣蓋朝向采空區(qū)，每個切縫孔內(nèi)安裝6.5 根聚能管，切縫孔采用炮泥進(jìn)行封孔，設(shè)置封孔長度為5 m，基于鉆孔排距及炸藥特性，設(shè)計切縫孔的單孔裝藥量為6.7 kg，雷管16 發(fā)。

3.1.3 爆破前巷道支護(hù)

為保證切頂爆破過程巷道的穩(wěn)定性，在對1301工作面順槽頂板進(jìn)行預(yù)裂切頂爆破前，需在距切縫線500 mm 位置支設(shè)一排單體柱，單體柱方向與切縫線的方向保持一致，爆破時必須在臨時支護(hù)下進(jìn)行。 單體柱間距1 000 mm，配合π 型梁（金屬鉸接頂梁）或大板使用，具體支護(hù)方式如圖5 所示。

圖5 臨時支護(hù)圖

3.1.4 回風(fēng)順槽2 巷道補(bǔ)強(qiáng)方案

1301 工作面回風(fēng)順槽1 進(jìn)行切頂卸壓后，可以緩解回采動壓對相鄰沿空順槽的影響，為了達(dá)到對沿空順槽變形量的有效控制，仍然需要對沿空順槽進(jìn)行必要的加固支護(hù)。輔助運(yùn)輸順槽巷道加固支護(hù)，回風(fēng)順槽2 原有的加固支護(hù)方案基礎(chǔ)上增加幫錨索支護(hù)，兩幫各增加3 根錨索，下掛W 鋼帶，連接成一個整體。錨索：φ15.24 mm×4 300 mm 鋼絞線，W 鋼帶：2 600 mm×300 mm×3 mm，錨固力：≥200 kN，預(yù)緊力：130±10 kN，具體巷幫錨索加固支護(hù)布置方式如圖6 所示。

圖6 回風(fēng)順槽2 巷幫錨索加固支護(hù)示意圖

3.2 效果分析

1301 回風(fēng)順1 內(nèi)切頂卸壓方案實(shí)施后，回風(fēng)順槽2 巷幫錨索加固后，在1301 工作面回采期間，在回風(fēng)順槽2 內(nèi)設(shè)置巷道表面位移監(jiān)測站，巷道內(nèi)每間隔50 m 布置1 個觀測點(diǎn)，現(xiàn)選取4 號測點(diǎn)進(jìn)行圍巖變形分析，曲線如圖7 所示。

圖7 圍巖變形曲線圖

分析圖7 可知，回風(fēng)順槽1 內(nèi)切頂卸壓和回風(fēng)順槽2 內(nèi)巷幫錨索加固方案實(shí)施后，采動影響下圍巖變形量大幅降低，頂?shù)装遄畲笠平繛?08 mm，兩幫最大移近量為74 mm，充分保障了采動期間圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

根據(jù)1301 工作面回采期間回風(fēng)順槽2 在原有支護(hù)下的變形特征，通過分析頂板定向爆破切頂卸壓理論，確定回風(fēng)順槽2 采用“切頂卸壓+單體柱臨時支護(hù)+錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)”的支護(hù)方案，并對切頂方案中的各項參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計，根據(jù)切頂方案實(shí)施后的圍巖變形分析可知，切頂后回風(fēng)順槽2 圍巖變形量大的問題得到有效解決，保障了圍巖的穩(wěn)定。