3412 工作面沿空留巷切頂卸壓技術研究與應用

王全宏

（山西國辰建設工程勘察設計有限公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

新元煤礦3412 工作面位于二采區南部，工作面平均埋深為500 m。工作面北鄰3413 工作面，東部為東翼回風大巷和東翼主運大巷，西部為采區邊界煤柱，南部為3411 采空區。3214 工作面傾向長200 m，工作面開采3#煤層，煤層厚度2.1～2.55 m，均厚為2.35 m，平均傾角為7°。煤層直接頂為砂巖泥巖，平均厚度為8.0 m，基本頂為中砂巖，均厚為2.4 m，底板巖層為中細粒砂巖和砂質泥巖。工作面回風順槽長度為1890 m，為沿空留巷巷道，巷道寬度×高度=4800 mm×3000 mm，充填體為高水充填材料，充填材料強度為10 MPa，充填寬度為2 m。3412 工作面平面位置示意圖如圖1。由于3412 工作面存在厚層頂板，為保障沿空留巷作業的順利實施，減少頂板破斷對留巷圍巖的動載作用，需進行切頂卸壓技術研究。

圖1 3412 工作面平面位置示意圖

2 切頂卸壓理論分析

2.1 切頂卸壓原理

當頂板巖層為堅硬巖層時，隨著工作面回采作業的推進，頂板懸露的長度會不斷增大，當頂板懸露長度達到垮落極限時，大面積懸頂的巖層會發生突然斷裂現象，巖層的突然斷裂會產生沖擊荷載，其會作用到巷道圍巖上，導致圍巖出現沖擊性的破壞，這會嚴重影響工作面的安全開采和巷道圍巖的穩定。沿空留巷作業時，當堅硬頂板在采空側難以及時垮落時，采空區出現大面積懸頂現象。隨著工作面回采作業的進行，頂板巖層逐漸回轉下沉，其產生的垂直應力和水平推力會全部作用到巷道圍巖和充填體上[1-2]。具體頂板巖層未預裂時的圍巖結構如圖2。

圖2 頂板巖層未預裂時圍巖結構示意圖

從圖2 中能夠看出，當堅硬頂板巖層未采用預裂技術時，上覆巖層會在煤柱的上方出現斷裂現象，頂板巖層發生回轉下沉，且斷裂后巖層的運動下沉的主動力和沖擊性較大，頂板巖層一旦發生斷裂便會快速落向采空區，會對巷道圍巖及充填體造成嚴重的沖擊。

當頂板采用爆破切頂技術后，頂板結構如圖3。隨著工作面回采作業的進行，堅硬頂板在充填體支護阻力和采動應力的影響下會沿著切頂線出現斷裂，有效減小頂板的懸露長度，降低頂板巖層作用在巷道圍巖及充填體上的壓力，保障巷道圍巖的穩定，緩解應力集中的問題[3-4]。另一方面，隨著堅硬頂板巖層切頂，頂板巖層垮落后，其產生的矸石會在采空區側不斷堆積，能夠對頂板形成一定的支撐作用，能夠減緩頂板回轉變形對充填體的擠壓作用。

圖3 頂板預裂后圍巖結構示意圖

2.2 聚能爆破機理

聚能爆破主要通過改變爆轟產物和應力波的作用路徑，以實現能量在特定方向上的集中匯聚，達到使裂隙定向擴展的目的。在炸藥的兩側安裝聚能罩，通過聚能罩使得爆炸后的能量向著特定的方向匯聚，進而在特定方向上形成高能射流，其作用到巖石單元上便能夠形成定向裂隙。

聚能爆破主要分為炸藥起爆、聚能罩變形、射流形成和射流侵蝕四個過程。聚能炸藥在炮孔爆炸后，聚能罩會在爆轟物的作用下產生變形并逐漸向軸線方向運動，當其在軸線對稱面上積聚能量時，沿著炮孔徑向作用和炮孔孔壁特定位置會形成初始導向宏觀裂縫，如圖4。

圖4 聚能罩裝藥結構及壓垮結構示意圖

聚能爆破作用會對孔壁產生強度較高的具有沖擊作用的高壓爆轟氣體，當巨大的沖擊波傳播至巖體中時，巖體的破壞呈現出明顯的分區特征。根據巖體破碎程度的不同，可將爆破誘導區劃分為破碎帶、II-斷裂帶和III-彈性振動區[5-6]。

3 頂板切頂卸壓技術

3.1 頂板切頂卸壓方案

根據堅硬頂板切頂卸壓原理及聚能爆破機理的分析結果，結合3412 工作面具體的地質條件具體進行切頂卸壓方案設計。切頂卸壓方案中主要參數包括爆破鉆孔布置、爆破材料和爆破方案，具體參數設計如下：

（1）爆破鉆孔布置。3412 回風順槽內爆破鉆孔孔徑為48 mm，聚能管外徑為40 mm，壁厚為1.8 mm，爆破孔的深度為6 m，鉆孔間距為1.2 m，鉆孔封孔長度為2 m，裝藥長度為4 m，鉆孔在距充填體幫0.5 m 的位置處打設，鉆孔與頂板成70°布置。聚能爆破鉆孔布置剖面圖如圖5。

圖5 聚能爆破鉆孔布置剖面圖（mm）

（2）爆破材料。爆破采用聚能藥包裝置，該裝置中包含炸藥和聚能管，炸藥直徑為38 mm，聚能管的長度為每段1.6 m，管壁厚度為1.8 mm。使用時在聚能管兩側打設180°的對穿孔，對穿孔孔徑為5 mm，間距為10 mm，如圖6。炸藥采用三級乳化炸藥，藥卷直徑為35 mm，長度為200 mm。

圖6 聚能管結構示意圖

（3）爆破方案。為保障聚能爆破后頂板巖層會沿著爆破產生的裂隙破斷，同時為不影響工作面安全生產，在采用超前預裂爆破方案時，根據工作面初次來壓和周期來壓步距，在工作面回采作業前，在距工作面開切眼15 m 的位置處進行一次聚能爆破作業，在工作面初次來壓后，頂板巖層便會沿著爆破產生的裂隙破斷，在工作面周期來壓期間，每間隔12 m 進行一次聚能爆破作業，以此保障頂板周期來壓破斷時不影響工作面的安全回采。

3.2 效果分析

（1）巷道圍巖變形量。3412 回風順槽內布置巷道表面位移監測站，監測站布置在超前工作面的200 m 位置處，采用十字布點法分別對留巷圍巖采用聚能爆破前后的圍巖變形量數據進行監測分析。根據監測結果能夠得出圍巖變形曲線如圖7。

圖7 聚能爆破前后留巷圍巖變形曲線圖

分析圖7 可知，未采用聚能爆破時，在工作面后方，圍巖變形量隨著距工作面距離的增加而逐漸減小，在工作面后方200～500 m 時，圍巖變形速率隨著與工作面距離減小的降幅較為緩慢，在工作面后方0～100 m 時，圍巖變形量降幅較為顯著，巷道圍巖變形量的最大值約在滯后工作面500 m，頂板下沉量和兩幫移近量的最大值分別為309 mm 和702 mm。當留巷聚能爆破方案應用后，巷道頂板最大下沉量和兩幫最大移近量均大幅降低。爆破方案應用后頂板下沉量和兩幫移近量的最大值分別為169 mm 和450 mm，降幅分別為62.4%和35.8%，表明頂板切頂卸壓后，有效地控制了圍巖的變形量，保持了巷道圍巖的穩定性。

（2）充填體受力分析

3412 回風順槽聚能爆破切頂方案應用后，通過在充填底部與煤層底板間設置液壓枕的方式進行充填體的受力分析，根據監測數據得出充填體的受力特征如圖8。

圖8 充填體受力特征示意圖

分析圖8 可知，充填體在滯后工作面0～20 m 時，采動影響下頂板巖層逐漸回轉下沉，對充填體形成一定的擠壓作用，使得充填體內應力明顯增大。隨后，隨著工作面回采作業的進行，在頂板巖層壓力作用下，充填體的荷載明顯增大。充填體在滯后工作面50 m 的位置處，受力達到最大值為5.3 MPa。當充填體滯后工作面75 m 后，頂板運動達到穩定狀態，充填體的荷載穩定在3.6 MPa 左右，充填體受力始終處于其極限抗壓強度內，表明聚能爆破后沿空留巷期間充填體處于穩定狀態。

4 結論

根據3412 工作面回風順槽沿空留巷的具體特征，通過分析切頂卸壓的原理及聚能爆破機理，結合留巷參數，設計聚能爆破鉆孔布置參數、爆破材料及爆破方案。根據沿空留巷聚能爆破方案應用后的效果分析可知，巷道切頂后控制了留巷圍巖變形，保障了充填體的穩定。