預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)在綜采工作面沿空留巷中的應(yīng)用

曹志強(qiáng)，張浩春

（山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

沿空留巷技術(shù)因具有能夠取消區(qū)段煤柱留設(shè)，減少礦井巷道掘進(jìn)工程量，緩解采掘接續(xù)緊張等多種優(yōu)點(diǎn)[1-2]，近年來(lái)，在我國(guó)煤礦井下開(kāi)采中得到推廣應(yīng)用。受工作面地質(zhì)條件、巖層性質(zhì)、圍巖應(yīng)力及支護(hù)方式等綜合因素影響，留巷內(nèi)巷道采空區(qū)側(cè)巷道頂板懸頂距離長(zhǎng)，頂板斷裂不理想，從而給留巷巷道增加了較大壓力，容易造成留巷巷道圍巖變形量大，在投入使用前需進(jìn)行大量臥底或擴(kuò)修[2-4]。因此需采取切頂卸壓的方式將巷道采空區(qū)側(cè)頂板切斷，減小采空區(qū)側(cè)巷道懸頂寬度，降低留巷巷道頂板壓力，確保留巷達(dá)到設(shè)計(jì)效果。本文以沙坪煤礦9203工作面輔運(yùn)順槽為工程背景，研究分析了預(yù)裂爆破切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，應(yīng)用結(jié)果表明留巷能夠滿足工作面安全生產(chǎn)需要，留巷效果達(dá)到預(yù)期要求。

1 概 況

9203工作面位于沙坪煤礦井下9號(hào)煤層南翼采區(qū)，9203工作面輔運(yùn)順槽北部鄰9號(hào)煤輔運(yùn)大巷，南部鄰近井田邊界，西部為設(shè)計(jì)9202工作面，東部為9203工作面，上覆為8號(hào)煤1817采空區(qū)。地面標(biāo)高+1 012—+1 139 m，煤層底板標(biāo)高+876.0—+882.2 m，蓋山厚度約為163.5 m。9203工作面輔運(yùn)順槽回采長(zhǎng)度約1 410 m，煤層厚度3.3～5.1 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層夾矸為1層，巖性為炭質(zhì)泥巖，厚度為0.1～0.2 m。

9203工作面輔運(yùn)順槽設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 491 m，留巷段長(zhǎng)度約為1 062 m，巷道為矩形斷面，掘進(jìn)寬度5.6 m，掘進(jìn)高度3.7 m，掘進(jìn)斷面積20.72 m2。巷道煤層基本頂以S2粗粒砂巖為主，厚度1.0～13.3 m，平均6.3m，頂板節(jié)理、裂隙較發(fā)育；S2粗粒砂巖厚度為1.0～6.0 m。砂巖抗壓強(qiáng)度為26.7～77.6 MPa，平均為50.4MPa；抗拉強(qiáng)度為1.3～2.3 MPa，平均1.8 MPa，屬中等穩(wěn)定類(lèi)頂板；直接頂不發(fā)育；偽頂多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚度0.20 m左右，一般隨煤層開(kāi)采而落。直接底為深灰色泥巖，厚度4.7～6.4 m，平均5.5 m；泥巖抗壓強(qiáng)度為16.9～34.7 MPa，平均為25.2 MPa；抗拉強(qiáng)度為0.5～2.2 MPa，平均1.5 MPa，屬松弱類(lèi)底板。9203輔運(yùn)順槽煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 9203工作面輔運(yùn)順槽煤層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive log diagram of auxiliary transport roadway in No.9203 Face

2 預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)原理

切頂卸壓就是在留巷巷道內(nèi)超前工作面切眼一定距離沿回采側(cè)向巷道頂板施工預(yù)裂爆破鉆孔，采用雙向聚能管進(jìn)行預(yù)裂爆破，從而在回采側(cè)巷道頂板內(nèi)形成一條預(yù)裂切縫，使工作面采空區(qū)頂板與留巷巷道頂板斷開(kāi)，從而減小或消除采空區(qū)頂板懸頂對(duì)留巷巷道頂板的壓力，減小留巷內(nèi)頂板載荷，使留巷巷道受力狀態(tài)得以改善，提高留巷效果。當(dāng)預(yù)裂爆破位置進(jìn)入工作面采空區(qū)內(nèi)后，在采動(dòng)動(dòng)壓及巷道圍巖應(yīng)力等作用下，巷道頂板會(huì)沿著切縫垮落，垮落的矸石在巷道采空區(qū)側(cè)堆積后形成巷幫，使用充填材料及擋矸裝置對(duì)巷道進(jìn)行充填噴漿封堵密閉后，將留巷與工作面采空區(qū)隔離，從而形成一個(gè)獨(dú)立的巷道為下一個(gè)回采工作面服務(wù)。切頂卸壓技術(shù)工藝流程如圖2所示。

圖2 切頂卸壓技術(shù)工藝流程Fig.2 Process flow of roof cutting and pressure relief technology

3 爆破預(yù)裂切頂卸壓方案

3.1 方案設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求

9203工作面輔運(yùn)順槽支護(hù)后，預(yù)裂切縫孔布置在工作面?zhèn)龋?203工作面輔運(yùn)順槽回采側(cè)在充填體補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的作用下形成一個(gè)固定支撐結(jié)構(gòu)，其實(shí)煤體側(cè)在9202工作面煤柱支撐作用下也能夠形成一個(gè)固定支撐結(jié)構(gòu)，即形成兩端固支梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。9203工作面輔運(yùn)順槽頂板在兩端固定支撐結(jié)構(gòu)作用下極為穩(wěn)定，從而避免了因頂板在一端固定支撐結(jié)構(gòu)作用下出現(xiàn)短臂梁而發(fā)生頂板斷裂事故。9203工作面輔運(yùn)順槽頂板按照設(shè)計(jì)的聚能爆破參數(shù)，沿著工作面回采方向施工爆破鉆孔進(jìn)行超前預(yù)裂爆破，相鄰鉆孔爆破后貫通形成切縫線，標(biāo)準(zhǔn)要求為孔成線，縫成面。

圖3 兩端固支梁結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural diagram of fixed beams at both ends

3.2 預(yù)裂爆破孔布置

3.2.1 預(yù)裂爆破孔深度

施工預(yù)裂爆破孔深度H縫臨界值可用公式（1）計(jì)算：

式中：△H1為巷道頂板下沉量，m；△H2為巷道底板底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)，1.3～1.5，取1.3；H煤取3.7 m，△H1、△H2忽略不計(jì)，由公式（1）計(jì)算可得H縫為15 m。

結(jié)合9203工作面輔運(yùn)順槽頂板巖層結(jié)構(gòu)，輔運(yùn)順槽沿煤層底板掘進(jìn)，近水平煤層，留巷長(zhǎng)1 062 m，地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)為0～6號(hào)測(cè)點(diǎn)，其中，0～3號(hào)測(cè)點(diǎn)，0～151.2 m處，8～9號(hào)層間距，即S2粗粒砂巖厚度為12.7～13.3 m，煤層厚度3.3～3.7 m；4～6號(hào)測(cè)點(diǎn)，151.2～1 004 m處，8～9號(hào)層間距，即S2粗粒砂巖厚度為3.0～8.0 m，煤層厚度4.5～5.3 m。0～3號(hào)地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)，切縫孔深度取14.0 m。預(yù)裂爆破孔深度必須考慮9203工作面輔運(yùn)順槽頂板巖層變化。

3.2.2 預(yù)裂爆破孔布置

預(yù)裂爆破孔沿9203工作面輔運(yùn)順槽回采側(cè)布置，距工作面150 mm，孔間距500 mm，炮眼深度1 4000 mm，傾向回采工作面?zhèn)扰c鉛垂線夾角為15°，如圖4所示。

圖4 預(yù)裂切縫孔布置示意Fig.4 Layout of presplitting holes

3.2.3 留巷起始位置切縫孔布置

（1）在留巷作業(yè)開(kāi)始前，留巷起始位置超前工作面10 m、滯后工作面20 m范圍內(nèi)按圖4的方式，在9203工作面輔運(yùn)順槽回采側(cè)布置切縫孔。

（2）在留巷起始位置工作面50 m范圍內(nèi)支架間隙間布置，孔間距3 000 mm，炮眼深度14 000 mm，傾向采空區(qū)側(cè)與鉛垂線夾角為30°。

3.3 爆破切頂試驗(yàn)

在9203工作面進(jìn)行爆破切頂試驗(yàn)時(shí)，按照設(shè)計(jì)的方案試驗(yàn)單孔爆破，在試驗(yàn)確定好合理爆破裝藥量及爆破孔封泥長(zhǎng)度參數(shù)后，再實(shí)施連孔裝藥爆破試驗(yàn)，爆破后觀察爆破孔內(nèi)巖層內(nèi)形成的裂縫情況，當(dāng)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，需再次進(jìn)行爆破試驗(yàn)，直至達(dá)到要求為止，以達(dá)到爆破設(shè)計(jì)要求的爆破參數(shù)作為連孔爆破參數(shù)，如圖5所示。

圖5 預(yù)裂切縫孔參數(shù)試驗(yàn)方案Fig.5 Experimental scheme of presplitting holes parameters

3.4 聚能管選擇

爆破聚能管選用新型D型聚能管，其外徑為43 mm，長(zhǎng)度為2 m。采用二級(jí)煤礦許用乳化炸藥進(jìn)行爆破，炸藥規(guī)格為φ40 mm×450 mm/卷，采用專(zhuān)用工具在聚能管內(nèi)進(jìn)行連續(xù)充填，裝藥后爆破孔采用炮泥封填，裝填聚能管時(shí)要將其填送至爆破孔底部，聚能管外端至孔口封滿炮泥并搗實(shí)。最終裝藥技術(shù)參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、窺視結(jié)果進(jìn)行確定。

3.5 裝藥結(jié)構(gòu)

采用爆破孔孔底不耦合連續(xù)裝藥方式進(jìn)行裝藥，聚能管藥卷定向斷裂爆破。炮孔長(zhǎng)度14 m，聚能管裝藥總長(zhǎng)度10 m，炮泥封孔長(zhǎng)度3.6 m。裝藥時(shí)依次裝入一卷炸藥（帶同段號(hào)16 m腳線電雷管）、10 m裝藥聚能管（尾端帶同段號(hào)電雷管）、水沙袋，然后用炮泥封滿孔。

采用可調(diào)壓氣動(dòng)膠槍對(duì)聚能管進(jìn)行裝藥，采用專(zhuān)用連接件將聚能管進(jìn)行連接并使用專(zhuān)用螺絲進(jìn)行固定。每節(jié)聚能管安裝1個(gè)專(zhuān)用定位塊，確保聚能與預(yù)裂方向一致。裝藥結(jié)構(gòu)如圖6所示。電雷連線方式采用串聯(lián)，每次爆破孔數(shù)不超過(guò)5孔。

圖6 裝藥結(jié)構(gòu)Fig.6 Charge structure

4 應(yīng)用效果分析

為及時(shí)觀測(cè)9203工作面輔助順槽留巷內(nèi)巷道圍巖變形情況，掌握巷道礦壓規(guī)律，自留巷開(kāi)始后每間隔30 m設(shè)置1個(gè)觀測(cè)站，采用“十”字觀測(cè)法定期對(duì)留巷巷道頂?shù)装逦灰屏亢蛢蓭鸵平窟M(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)整理如圖7所示曲線。

通過(guò)圖7變化曲線分析可知，留巷巷道在滯后工作面切眼0～20 m時(shí)，巷道圍巖表面位移量較小，巷道處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；在滯后工作面切眼20～60 m，巷道圍巖發(fā)生了較大變形，其中頂?shù)装逦灰屏孔畲筮_(dá)到460 mm，兩幫移近量達(dá)到500 mm；在滯后工作面切眼60 m以后，巷道圍巖變形量逐漸變緩，頂?shù)装逦灰屏繛?80 mm，兩幫移近量為520 mm，在達(dá)到100 m后巷道圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)留巷高度3 220 mm，巷寬5 080 mm，留巷巷道斷面積16.35 m2，作為下一個(gè)工作面的回風(fēng)巷，巷道斷面滿足工作面安全生產(chǎn)要求，沿空留巷達(dá)到了預(yù)期效果。

圖7 留巷巷道圍巖變形曲線Fig.7 Deformation curve of surrounding rock of retaining roadway

5 結(jié) 語(yǔ)

沙坪煤礦9203工作面輔助順槽通過(guò)采用預(yù)裂爆破切頂留巷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工作面沿空留巷，留巷巷道圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，留巷巷道斷面滿足下一個(gè)工作面安全生產(chǎn)要求，留巷效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，該技術(shù)的成功應(yīng)用，減少了煤巷掘進(jìn)工程量，緩解了沙坪煤礦接續(xù)緊張局面，提高了煤炭資源回收率，同時(shí)為礦井在今后實(shí)施沿空留巷積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，為其他類(lèi)似條件下礦井實(shí)施切頂卸壓沿空留巷技術(shù)提供了參考，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。