超前動壓影響下西曲礦18503 工作面巷道圍巖控制技術(shù)研究

張志雄

（西山煤電集團有限責任公司西曲礦， 山西 古交 030200）

1 礦井概況

西曲礦隸屬山西西山煤電股份有限公司，該礦井主采煤層分別為8 號、9 號煤層，18503 工作面所采煤層為8 號煤層，位于南五采區(qū)皮帶巷東南側(cè)，煤層厚度3.47～4.45 m，平均3.90 m，其傾角約2°～15°，平均4°，蓋山厚度560～690 m，工作面切眼長度235 m。根據(jù)該采區(qū)相鄰工作面回采礦壓顯現(xiàn)特征可知，18503 工作面回采產(chǎn)生的超前動壓會對南六區(qū)下組煤采區(qū)大巷群帶來強烈影響，繼而誘發(fā)其大變形影響安全回采。

本文針對該問題提出工作面超前斷頂減壓技術(shù)及配套工藝，即在工作面末采收尾時選擇合理的位置進行深孔爆破預(yù)裂、斷頂減壓工作，以實現(xiàn)保護該工作面前方的南一下組煤采區(qū)大巷，改善工作面回采時動壓影響區(qū)域內(nèi)巷道的應(yīng)力環(huán)境，在此基礎(chǔ)上對工作面末采期間的停采線位置進行合理確定，減少護巷煤柱寬度，使工作面多回采煤炭資源[1]。采用對于動壓巷道一般采用錨桿+架棚+注漿復(fù)合支護、減壓等加大支護強度等手段進行治理，以減小巷道大變形。

2 超前深孔斷頂減壓的基本原理及關(guān)鍵參數(shù)確定

2.1 超前深孔斷頂減壓的基本原理

超前深孔斷頂減壓的基本原理：在超前工作面一定范圍內(nèi)（停采線附近）提前布置工作面回撤通道，在工作面回撤通道內(nèi)對煤層頂板進行深孔爆破切頂，切斷工作面超前采動應(yīng)力的傳遞路徑，改善工作面回采時動壓影響區(qū)域內(nèi)巷道的應(yīng)力環(huán)境，繼而實現(xiàn)受動壓影響巷道圍巖的長時穩(wěn)定。其原理具體如圖1 所示。

圖1 超前深孔斷頂減壓示意圖

2.2 合理切頂參數(shù)的確定

2.2.1 切頂高度

超前18503 工作面回撤通道內(nèi)切頂高度的確定關(guān)系到受保護巷道群應(yīng)力優(yōu)化小。基于18503 工作面實際工程地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，分別模擬了切頂高度15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m 時的受保護巷道群周邊圍巖應(yīng)力改善情況。通過分析發(fā)現(xiàn)回撤通道內(nèi)切頂高度30 m 時效果最好，巷道群周邊應(yīng)力最低，高應(yīng)力集中在巷道群與回采通道中間的煤柱張紅，有利于其圍巖長時穩(wěn)定控制，切頂30 m 時應(yīng)力分布云圖如下頁圖2 所示。

2.2.2 斷頂減壓孔間距的確定

針對在斷頂減壓孔內(nèi)裝入的炸藥起爆后，一般會在炮孔周圍產(chǎn)生粉碎圈和裂縫圈。當采用耦合裝藥方式時，沿圓形鉆孔安裝的柱狀體炸藥爆炸時，其產(chǎn)生的沖擊波作用于鉆孔孔壁的周邊巖體，形成沖擊載荷，然后透射沖擊波不斷由孔壁周邊巖體向外傳播并不斷衰減，最終形成應(yīng)力波。而巖石本身為脆性材料，其抗壓強度遠遠大于其抗拉強度，受原巖應(yīng)力場影響爆破時周邊巖體可視為三向受力狀態(tài)，炸藥爆炸時在鉆孔周邊的粉碎圈是受壓后形成，外層裂隙圈是巖石收到拉應(yīng)力后形成。

3 號煤礦許用乳化炸藥其密度一般為1 120 kg/m3，其爆炸時候的速度D一般為3 600 m/s，結(jié)合鉆孔所在位置周邊巖體力學(xué)參數(shù)，當在頂板砂巖石中采用3 號礦乳化炸爆破切頂時，把相關(guān)參數(shù)帶入粉碎圈半徑R1和裂隙圈半徑R2計算公式可以得到R1=0.3 m、R2=1.2 m。

同時基于西曲礦18503 工作面具體工程地質(zhì)條件建立了爆破分析模型，結(jié)合實際情況炮孔直徑取0.085 m，柱狀炸藥直徑取0.063 m，通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，炸藥起爆后100 μs 時雙炮孔時主裂紋擴展終止后向上下主裂紋的擴展長度分別為1.15 m、0.95 m，平均長度1.05 m，因此左右間距2 m 時采用該爆破參數(shù)炮孔間裂縫可完全溝通，因此本次試驗采用的斷頂減壓孔間距按整數(shù)取2 m[2]。

圖2 切頂30 m 時應(yīng)力分布云圖

3 切頂減壓深孔爆破工藝

3.1 鉆孔

根據(jù)回撤通道內(nèi)能擺放鉆機且留有退鉆桿空間的要求，采用坑道鉆機施工，根據(jù)炮孔設(shè)計參數(shù)，采用Φ65 mm 長度為0.6 m 的鉆桿配合三翼Φ85 mm金剛鉆頭進行打孔。在斷頂減壓孔施工過程中要求采用坡度儀以保證炮眼角度偏差±0.5°，最終所形成的斷頂減壓孔要求平且直、無巖渣。

3.2 裝藥

為了確保爆破過程中不出現(xiàn)殘炮、拒爆等問題，考慮到斷頂減壓孔較深，要求使用帶有凹槽的外徑Φ63 mm 的爆破筒進行炸藥填裝，凹槽的作用主要是防止雷管腳線安裝時候不被拉斷，并使用專用的炮棍進行裝藥。爆破筒每節(jié)的長度為2 m，其內(nèi)安裝的3 號煤礦許用乳化炸藥直徑為35 mm。

為避免發(fā)生“殘炮”，同時由于斷頂減壓孔較深，需采用“分段連體式”裝藥結(jié)構(gòu)，即把5～10 個爆破筒連接一體形成一個分段[3]，這樣既容易安裝，又能保證每個分段相對獨立，若個別分段出現(xiàn)拒爆而不會影響其他分段，“分段連體式”裝藥其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 分段炸藥的安裝結(jié)構(gòu)

當3 號煤礦許用乳化炸藥裝入帶有凹槽的爆破筒后，在爆破筒中間位置通過直徑約10 mm 的空安裝毫秒電雷管，同時在每根爆破筒頭尾兩端約3 mm 處通過打孔安裝連接扣用于連接爆破筒。現(xiàn)場施工時，爆破筒中炸藥可以提前裝入，但雷管必須在爆破筒安裝時候再進行安裝，放炮母線使用膠帶將其牢牢固定于爆破筒凹槽中，雷管塞入爆破筒中部后其引線可直接連接到凹槽中母線，各分段爆破筒中雷管采用串聯(lián)[4]。爆破筒塞入炮孔前必須按規(guī)定使用Φ67 mm 炮棍井下探孔，以確保裝藥質(zhì)量。如探孔過程中發(fā)現(xiàn)炮孔中由巖渣等，必須進行高壓水二次沖孔。

3.3 封孔

爆破筒安裝完成后，可采用自動封孔器或?qū)Ｓ命S土封泥袋進行封孔。無論那種封孔方式一定要確保封實，同時封孔過程中確保母線的短路。

3.4 起爆

起爆時每個炮孔中安裝在爆破管中的雷管確保串聯(lián)，多孔起爆時孔間也要采用串聯(lián)，從而所有雷管同時一次起爆，一次可以同時起爆的2～3 個炮孔，本次試驗現(xiàn)場采用的起爆器型號為MFB200 型。

4 應(yīng)用效果

通過在18503 工作面回合理回撤通道附近采用定向爆破斷頂減壓技術(shù)后，實現(xiàn)了南六區(qū)下組煤采區(qū)大巷群圍巖與支護結(jié)構(gòu)的長時穩(wěn)定。與該采區(qū)同煤層未采取定向爆破斷頂減壓技術(shù)的相鄰工作面18601 工作面回采結(jié)束后，對采區(qū)大巷巷道尺寸進行測量對比后發(fā)現(xiàn)，采用該技術(shù)現(xiàn)場實施效果良好，18503 工作面回采完成后，該巷道群未產(chǎn)生底鼓、幫鼓、噴漿掉皮、變形量過大等現(xiàn)象。同時通過該技術(shù)使用把18503 工作面停采線向南六區(qū)下組煤采區(qū)方向挪移了20 m，按工作面切眼長度為225 m、煤層厚度4 m 計算，多回采煤炭225×4×20×1.5=2.7 萬t，經(jīng)濟效益十分顯著。