定向爆破切頂卸壓技術在馬蘭礦的應用

王 帥

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦）

普通采煤工作面頂板管理工作的流程如下：首先，工作面回采，在此過程中直接頂初步垮落，而產生一定量懸頂；其次，工作面持續推進，老頂斷裂，不斷的填實采空區；最后，老頂下沉，采空區基本上保持穩定。在工作面回采到推進期間，在采空區中會產生懸頂，主要影響因素：①懸頂的存在，老頂和直接頂的接觸面應力大幅度降低，同時接觸層面可能在不同步變形情況下產生滑移，從而導致其周圍的巷道內層面可能被破壞；②懸頂產生明顯附加作用力而影響到巷道支護穩定性，使得側頂板下沉水平增加［1-5］。工作面附加的巷道支護載荷很容易因為懸頂梁的旋轉變形和覆壓而增加，巷道支護阻力不高情況下變形會很明顯，且可能導致冒頂事故，應該對相關工作面進行超前支護。

工作面切頂卸壓研究過程中，主要是基于上述理論進行分析，在工作面切頂線處通過定向爆破技術預裂頂板，促使相應的懸臂梁受到工作面來壓、上覆壓力、自重力等因素影響而滑落填充采空區，保持結構處于穩定狀態，避免壓力傳遞到工作面前部煤體，以此來起到卸壓目的，同時對巷道進行適當的保護。

1 工作面定向爆破技術

切頂卸壓過程中定向爆破技術的應用比例很高，其是對傳統爆破技術進行改進而形成的，屬于一種聚能控制爆破技術。這種方法在爆破過程中，先將藥包放入存在一定聚能效應裝置內，在爆炸后爆轟引發的沖擊波和應力波主要釋放方向為聚能孔方向，且對此方向的孔壁產生作用，從而形成相應的徑向初始裂縫；接著爆生氣體大量進入到初始裂縫，而產生特定的應力集中，在應力的作用下裂縫持續擴展，而形成相應平滑性較高的控制爆破面，可以據此實現相應精確爆破的目的。在聚能裝置壁的緩沖作用下，進行爆破時，沖擊波會直接作用于保留圍巖，而對其他方向裂紋的發展起到抑制作用，這樣可顯著降低對保留圍巖的損傷。因此，通過該技術可達到以下目的。

（1）直接從工作面切頂懸臂梁，斷開了老頂和前部煤體的聯系，使得其傳遞的壓力作用取消，據此，降低了工作面受到的壓力。

（2）在傾斜方向上，整體老頂被切割而形成很多單塊體，使得老頂應力水平和相應的應力集中程度大幅度降低。

（3）前方巖體在聚能裝置壁的緩沖作用下，可確保相應的原巖特性不會受到明顯影響，這樣產生次生裂隙的可能性大幅度下降。

2 深孔爆破斷頂卸壓護成功案例分析

2.1 概況

馬蘭礦18504 工作面，開口于南五下組集中輔運巷；根據相關資料可知，其輔運巷西北側實體最小間隔385 m 為18310 采空區，皮帶巷上部間隔九十多米處對應的為12508采空區。切眼東北側間距90～97 m（上部46 m 左右）為南八南九膠帶機運輸大巷。如圖1所示。

在開采過程中主要是針對石炭系太原組8 號煤層，此煤層的厚度小，相應的厚度變化區間為4～4.68 m。皮帶巷寬度實際值為5.5 m；輔運巷分寬度實際值為5.0 m，二者的凈高都為4 m。在馬蘭礦18504 工作面停采情況下，應該在采面前方適當的切頂卸壓處理，且設置相應斷頂切縫，保護南一下組軌道下山、南五回風下山等。預計該18504工作面超前支承壓力影響范圍及峰值較大，在開采過程中為有效地改善開采區域的應力環境，應該進行適當卸壓。根據18504工作面狀況，應該在其停采線周圍進行一定切頂卸壓。如圖2 所示，工作面停產線前方50.8 m，上覆95 m左右存在火藥庫，工作面前方88.42 m存在南一下組煤采區大巷，均為重點保護對象。

為此，斷頂卸壓工作分為2 個關鍵區域進行，即在工作面的末采結束后，應該針對其中A 區、B 區爆破預裂處理，而適當的進行斷頂卸壓操作，從而對前部的火藥庫、南區大巷進行適當保護，避免產生大幅度變形而引發的底鼓、幫鼓相關問題。

2.2 現場實施方案

2.2.1 斷頂孔位置的確定

對應力變化情況進行模擬分析，所得結果顯示在末采期間和停采期，相應的超前支承壓力會產生一定的波動，應力也會有所轉移。在此過程中為避免停采后南一采區大巷受到明顯的干擾，應該在撤銷液壓支架前進行一定的打孔、斷頂卸壓處理。具體操作情況如圖3 所示，在停產線處，A 區炮孔向前上方控制適當的仰角施工，孔深33 m。各孔之間的距離設置為3 m，高抽巷附加的10 m 區域內不設置施工炮孔，避免爆炸產生的影響范圍過大。B 區炮孔沿巷道走向設置間隔為3 m，阻隔工作面的應力傳遞方向為斜對向，炮孔對應的偏斜方向為仰角75°，計算分析確定出孔深為33 m。

設置的工作面長度為251 m，在工作過程中相應的超前支承壓力會達到較高水平，因而應該在相應前、側上方爆破而產生適當的弱面，從而對超前支承壓力的傳遞進行適當限定，即設置2 個區進行卸壓，具體情況如下。

A 區：炮孔間距設置為3 m，每2 個支架對應于1個卸壓孔，中部高抽巷和兩端一定區域內不打孔，這種方案下確定出總共的炮孔為77個。其中各孔斜長33 m，仰角45°，設置的炮孔編號為A1～A77。

B 區：間距和前者保持一致，從停采線位置開始推進，往煤柱側偏斜75°，對應的開孔口緊貼煤柱幫。總共確定出17個炮孔，其中各炮孔斜長33 m，炮孔設置情況總體如圖3所示。

2.2.2 爆破參數

代入相關參數進行應力模擬分析，基于所得結果而設置炮孔直徑為75 mm，聚能裝置為50 mm，單位長度的裝藥質量為1.5 kg，即各孔藥量30 kg，相應的封泥13 m。表1、表2 為相關孔深和裝藥量對應的數據情況。

2.3 效果分析

研究過程中為了對工作面切頂護巷的效果進行驗證，分析開采過程中圍巖波動狀況，在南一下組軌道下山、南五回風下山等地點全面礦壓觀測（相關檢測內容包括移近量，錨桿受力等）。在18504 工作面回采時，南一下組相關的錨桿、錨索受到超前應力的影響不斷增加，巷道頂底板和兩幫出現明顯的位移和變形。在工作面停采線處通過切頂卸壓技術進行適當的卸壓處理后，對比可知，這種條件下對應的錨桿、錨索受力大幅度降低；且在回采空間的結構基本上保持穩定情況下，錨桿、錨索的受力也基本上復原，對應的移近量也趨于穩定，有效地實現了切頂卸壓護巷效果。

3 結語

切頂卸壓技術的應用達到了卸壓和護巷的最終目的，可節約一定的煤炭資源，同時也避免了采空區對鄰近巷道、工作面等引發的各方面安全威脅。這種技術在處理過程中用到的切頂孔和聚能裝置處理都很容易，施工簡單，有較高的應用推廣價值。