18403 運(yùn)輸巷堅(jiān)硬頂板切頂護(hù)巷技術(shù)研究

寧瑞峰

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 古交 030200）

西曲礦目前主采8#煤層，平均厚度3.95 m，直接頂、基本頂主要為巖性堅(jiān)硬的石灰?guī)r、中粒砂巖。南四盤區(qū)南部18403 工作面與18403 工作面瓦斯治理巷Ⅰ段相鄰，二者之間的保護(hù)煤柱寬度為16 m。隨著相應(yīng)工作面的向前推進(jìn)，18403 工作面瓦斯治理巷I 段出現(xiàn)顯著變形破壞。由此可知，所留設(shè)煤柱不能很好地平衡相鄰工作面動(dòng)壓擾動(dòng)，繼續(xù)加寬煤柱會(huì)造成資源的大量浪費(fèi)，加之頂板巖層堅(jiān)硬，因此探索在18403 運(yùn)輸順槽采用切頂卸壓定向爆破技術(shù)，可有效減弱或消除相鄰工作面動(dòng)壓影響。

1 工程概況

18403 工作面位于南四盤區(qū)，北與18404 工作面采空區(qū)相鄰，南與正在開采的18401 工作面相鄰，東與南983 運(yùn)輸大巷相鄰，西與永樹曲村村莊煤柱相鄰。工作面上覆4#煤14402、14403 采空區(qū)，層間距為52～60 m。2.3#煤12403、12404 和12405 采空區(qū)，層間距為65～70 m。靠近切眼西南部170 m處和360 m 處上覆永樹曲礦、華山礦2.3#、4#煤小窯破壞區(qū)，預(yù)計(jì)工作面回采后對(duì)相鄰巷道及工作面無(wú)影響。工作面布置圖如圖1 所示。

圖1 18403 工作面布置示意圖

8#煤層頂板局部具有泥巖偽頂，厚度為0.40 m；直接頂巖性為石灰?guī)r，厚度為2.40 m，普氏系數(shù)為10.56，抗壓強(qiáng)度為101.89 MPa；直接底巖性為細(xì)粒砂巖，厚度為1.54 m，抗壓強(qiáng)度為55.89 MPa。

2 切頂卸壓設(shè)計(jì)

2.1 切縫設(shè)計(jì)原則

通過(guò)雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，可以把炸藥裝入設(shè)定好方向的聚能管當(dāng)中，受聚能作用影響，起爆后的炸藥能夠達(dá)到在未設(shè)定方向上使得炮孔周圍的巖石受壓均勻的目的。與此同時(shí)在設(shè)定好的方向上被爆破巖石能夠受到集中受拉作用，由于巖石具有抗壓強(qiáng)度大而抗拉應(yīng)力小的特點(diǎn)，可以達(dá)到被爆破巖石能夠在設(shè)定好的方向上被張拉斷裂成型的目的。

雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)結(jié)合了聚能爆破和定向爆破的優(yōu)勢(shì)，具有施工便捷、爆破效果良好、炸藥消耗量少等特點(diǎn)。在聚能效應(yīng)的作用下，爆轟產(chǎn)物可以在兩個(gè)設(shè)定好的方向上產(chǎn)生聚能流，形成集中張拉作用，產(chǎn)生良好的斷裂面。并且通過(guò)聚能管還可以對(duì)周圍巖石進(jìn)行保護(hù)，降低周圍巖石受爆破影響程度，既能夠達(dá)到爆破預(yù)裂的技術(shù)效果，也可以相對(duì)保護(hù)正在使用巷道頂板的穩(wěn)定性。

預(yù)裂切縫深度臨界設(shè)計(jì)公式如下：

式中：ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底板底鼓量，m；K 為圍巖膨脹系數(shù)，通常取值1.4～1.5。

考慮頂?shù)装鍘r性均較為堅(jiān)硬，K 取平均值1.45，不將頂板圍巖下沉、底板底鼓納入考慮范疇，工作面采高為4.0 m，可以得出切縫深度為8.9 m。根據(jù)《無(wú)煤柱自成巷110 工法規(guī)范》，合理預(yù)裂切縫深度設(shè)計(jì)一般大于2.6 倍的采高，即10.4 m。綜合現(xiàn)場(chǎng)頂板巖性及其厚度，為保證K2 石灰?guī)r能夠切斷，設(shè)計(jì)切頂深度為12～14 m。此外，為減小回采工作面頂板垮落時(shí)對(duì)順槽頂板的摩擦力作用，使得切縫頂板更易于垮落，設(shè)計(jì)切縫孔偏向回采工作面與鉛垂線呈一定夾角。

2.2 切縫設(shè)計(jì)參數(shù)

18403 工作面運(yùn)輸順槽寬4500 mm，高3500 mm，掘進(jìn)斷面積15.45 m2，凈斷面積14.62 m2。支護(hù)方式為錨桿支護(hù)，頂錨桿采用矩形支護(hù)布置形式，間排距為1200 mm×1200 mm；幫錨桿采用五花形支護(hù)布置形式，間排距為1000 mm×1200 mm，靠近頂板的第一根幫錨桿距頂板600 mm；頂板裂隙發(fā)育區(qū)段掛鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)尺寸1200 mm×3800 mm；兩幫滾幫區(qū)段掛鐵絲網(wǎng)，鐵絲網(wǎng)尺寸2300 mm×4000 mm。

考慮運(yùn)輸順槽皮帶影響，皮帶寬度1200 mm，距回采幫900 mm，因此切縫鉆孔可布置于巷道中心線，切頂深度12～14 m，切頂孔偏向回采工作面與鉛垂線呈0～5°夾角，切縫孔間距500 mm。

此外，為保證預(yù)裂切縫期間巷道圍巖穩(wěn)定性，采用液壓?jiǎn)误w配合長(zhǎng)度為3.2 m 的π 形梁對(duì)巷道頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，沿巷道走向方向采用一梁三柱布置形式，液壓?jiǎn)误w排距1200 mm，液壓?jiǎn)误w緊鄰皮帶邊緣布置。18403 工作面超前支護(hù)距離較原先增加10 m。

切頂孔布置及臨時(shí)支護(hù)斷面圖如圖2 所示。

圖2 切頂孔布置及臨時(shí)支護(hù)斷面圖

2.3 炮孔裝藥參數(shù)

雙向聚能管的外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，管長(zhǎng)為1500 mm。炸藥選用規(guī)格Ф35 mm×200 mm的三級(jí)礦用乳化炸藥，用炮泥對(duì)爆破孔口進(jìn)行封孔。切頂高度12 m，每孔布置7 根聚能管，每根聚能管長(zhǎng)度1500 mm，采用4+3+3+3+2+2+1 的裝藥方式。圖3 所示為雙向聚能爆破預(yù)裂裝藥結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 雙向聚能爆破預(yù)裂裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)切頂卸壓試驗(yàn)

井下現(xiàn)場(chǎng)采用DCA-45 型自動(dòng)成巷超前切縫鉆機(jī)，鉆頭采用直徑Ф50 mm 專用鉆頭，按照鉆孔間距500 mm，與水平面呈85°夾角進(jìn)行施工。圖4所示為DCA-45 型自動(dòng)成巷超前切縫鉆機(jī)。

圖4 DCA-45 型自動(dòng)成巷超前切縫鉆機(jī)

圖5 BTC-1500 型聚能管

完成爆破鉆孔施工作業(yè)后，按照?qǐng)D3 所示的裝藥結(jié)構(gòu)，將BTC-1500 型聚能管裝入爆破鉆孔，聚能管必須捅入鉆孔孔底。圖5 所示為BTC-1500 型聚能管。

4 應(yīng)用效果

（1）18403 工作面來(lái)壓步距監(jiān)測(cè)

通過(guò)工作面支架在線監(jiān)控系統(tǒng)，18403 工作面周期來(lái)壓步距由之前的21 m 左右，減小為15 m 左右。

（2）18403 工作面瓦斯治理巷Ⅰ段頂?shù)装咫x層監(jiān)測(cè)

在18403 工作面瓦斯治理巷Ⅰ段中每隔50 m布置頂板離層儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)進(jìn)行為期2 個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)，巷道頂?shù)装寮皟蓭臀窗l(fā)現(xiàn)顯著變形破壞。對(duì)頂板離層儀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，頂板總離層量穩(wěn)定在30 mm 左右，表明本次切頂護(hù)巷參數(shù)合理，取得的效果十分顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在18403 工作面運(yùn)輸順槽應(yīng)用切頂卸壓定向爆破技術(shù)，有效地阻斷堅(jiān)硬頂板上覆巖層應(yīng)力傳遞，減小采動(dòng)對(duì)18403 工作面瓦斯治理巷的影響。實(shí)踐中，18403 工作面瓦斯治理巷再未出現(xiàn)明顯變形破壞，表明該技術(shù)達(dá)到了減弱或消除18403 工作面瓦斯治理巷受堅(jiān)硬頂板條件下18403 工作面采動(dòng)影響的目的，對(duì)于西曲礦8#煤層其他類似地質(zhì)條件的工作面具有積極的推廣意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。