綜放工作面超前定向預裂切頂卸壓技術研究

張 亮

(潞安環能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

傳統的采煤工藝中，相鄰兩個綜采工作面之間通過留設區段煤柱進行護巷，煤柱寬度在20～50 m不等，該方式使大量的煤柱留在了采空區，造成了大量的煤炭資源浪費[1]。同時，隨著采深的增加、鄰近工作面回采的影響，區段煤柱內應力集中程度高，巷道變形大、沖擊地壓等地質災害日益突出。針對這一問題，國內外學者提出了小煤柱[2-3]、無煤柱開采技術[4-5]，有效解決了區段煤柱留設造成的資源浪費問題，但巷道受動壓影響變形的問題依然比較嚴重。本文以漳村煤礦2601工作面為工程背景，對綜放工作面定向預裂切頂技術進行研究。

1 超前定向預裂切頂圍巖控制基本原理

綜采工作面定向預裂切頂是在上一區段工作面的下順槽頂板，沿巷道走向全長預裂一條縫，待上一區段工作面回采后，巷道頂板在采動應力的作用下沿切縫自動垮落(圖1)，切斷更大范圍頂板的應力傳遞，大大降低小區段煤柱的應力集中，從而保證窄煤柱沿空巷道處于礦山壓力的卸壓區，進而有效控制巷道的大變形問題，保證正常生產。

圖1 工作面定向預裂切頂示意

定向預裂切頂的關鍵在于在設計的方向上產生裂縫，本文采用雙向聚能爆破技術來實現。聚能裝置是人為開槽的PVC管，聚能裝置插入炮孔中，爆破過程中爆轟波將沿PVC管的弱面聚能傳播，從而形成定向裂縫。

2 超前定向預裂切頂關鍵參數

2.1 切頂高度

切頂高度是切頂卸壓的關鍵之一，必須保證爆破及頂板垮落后充滿采空區，上覆巖層在垮落矸石有效支撐作用下，巖層移動變緩，最后逐漸趨于穩定。切頂高度計算公式可由(1)式確定：

(1)

式中：Hm為切頂高度，m；hi為頂板分層厚度，m；M為采高，m；Kp為垮落矸石碎脹系數。

2.2 切頂角度

切頂角度太小不利于鉆孔施工，太大會造成懸頂距離過長，切頂效果較差。采用3DEC數值模擬軟件，以漳村煤礦2601綜采工作面地質條件為基礎(埋深500 m，四周均施加水平位移約束，底部施加固定約束，上部施加11.25 MPa的均布載荷模擬上覆巖層，側壓系數λ=1.1)，分別對切頂角度為5°、10°、15°條件下上覆巖層的運移規律和巷道圍巖變形特征進行了模擬，如圖2所示。

整體來看，預裂爆破切頂角度對上覆巖層切頂兩側的垮落變形影響較大，但均起到了切斷窄煤柱上方巖層與采空區巖層的連接。切頂角度為5°時，采空區上覆巖層垮落后與窄煤柱上方巖層由固結變為鉸接結構，巖層間的相互摩擦力和水平鉸接力起主導作用。由于水平鉸接力的存在，使得采空側巖層與窄煤柱上方形成三角穩定結構，壓力得不到有效釋放。切頂角度為10°、15°時，更加有利于采空側頂板的切落，在窄煤柱上方形成短懸臂結構。切頂兩側巖層下沉位移量相差很大，呈現出斷崖式增大，表明采空側被切落的老頂與窄煤柱上方老頂間無摩擦鉸接力的作用，直接斷裂接底。

2.3 爆破參數

1) 炮孔間距。切頂卸壓炮孔間距是由單孔爆破預裂裂縫的擴展長度所決定的，相鄰兩個炮孔所預裂的裂縫要實現貫通，因此炮孔間距可由式(2)求得：

L=2×(Rp+Rc+rb)

(2)

式中：Rc為壓碎區，m；Rp為裂隙區，m；rb為鉆孔半徑，m。

2) 裝藥量。裝藥量與巖石性質和炸藥特征有直接關系，切頂卸壓炮孔采用連續不耦合裝藥，裝藥量可由式(3)求得：

(3)

式中：ρ0為炸藥密度，kg/m3；db為炮孔直徑，m；De為徑向不耦合系數。

3 超前定向預裂切頂卸壓工程應用

3.1 工程背景

漳村煤礦目前回采2601工作面，為充分回收煤炭資源，鄰近工作面2603與2601之間僅留設10 m的區段煤柱。為降低2603運巷的巷道變形，提出在2601工作面風巷實施超前切頂卸壓技術，切斷2601風巷頂板與2601工作面采場直接頂、基本頂的聯系，在周期來壓作用下采場頂板沿預裂面切落，減少殘余頂板的懸露長度，將巷道圍巖應力轉移到深部，改善2603運巷圍巖應力環境，有效控制巷道變形。

3.2 施工參數

根據2601工作面綜合柱狀圖分析，取垮落矸石碎脹系數為1.3，采高6 m，代入式(1)計算斷頂高度Hm=20 m，同時根據數值模擬結果，設計炮孔角度向2601工作面方向偏轉10°。為確保預裂爆破充分發揮作用，炮眼在爆破之后能夠按照要求切頂，爆破鉆孔距離煤柱1 m，鉆孔孔徑為50 mm，鉆孔間距為1.5 m，如圖3所示。

工作面炮孔鉆機采用ZLJ-600煤礦用坑道鉆機2臺，并配備D48 mm鉆頭和D42 mm鉆桿。切頂爆破聚能裝置的炸藥管外徑為40 mm，壁厚2～3 mm，每段2 m，180°對穿打孔，孔徑為4 mm，間距8 mm，炸藥采用滿足煤礦瓦斯等級的礦用乳化液炸藥，藥卷直徑35 mm，如圖4所示。

圖3 爆破鉆孔布置

圖4 聚能管結構示意

3.3 應用效果

巷道的變形量是巷道圍巖應力環境的直觀體現，通過在2603運巷50 m、100 m、200 m布設表面位移觀測點，連續60多天對巷道變形量進行觀測，觀測結果如圖5。

由圖5可知，巷道在前30 d內變形量較大，在30 d過后就逐漸趨于穩定，變形量在200～300 mm之間，整條巷道的變形得到有效控制。與25采區同類巷道相比，巷道未出現幫鼓、底鼓、斷錨桿等現象，證明2601風巷超前預裂切頂技術很好地將采場上部應力轉移到了2603工作面的深部，保證了2603運巷的巷道成形，應用效果良好。

4 結 語

1) 綜采工作面定向預裂切頂的主要作用是切斷采場上部大范圍頂板的應力傳遞，將應力往工作面深部轉移，大大降低小區段煤柱的應力集中，有效控制回采巷道的大變形。

2) 綜采工作面定向預裂切頂的關鍵技術參數包括切頂高度、切頂角度、炮孔間距、裝藥量等，這些參數受具體的地質條件影響。

3) 漳村煤礦2601風巷實施的定向預裂切頂對2603運巷的巷道變形有很好的控制作用，變形量控制在了200～300 mm，應用效果良好。