玉溪煤礦大采高工作面頂板定向爆破切頂卸壓技術研究與應用

焦云剛

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 沁水 048214）

1 工程概況

玉溪煤礦位于沁水煤田南部，井田共劃分為2個盤區，礦井主采3 號煤層，1301 工作面為礦井首采工作面，工作面位于井田南部的一盤區，工作面北部、南部和東部均為實體煤，西部為盤區大巷，具體工作面位置如圖1 所示。工作面區域內3 號煤層厚度為5.12～7.20 m，平均厚度為5.85 m，煤層直接頂為泥巖，均厚為2.4 m，基本頂為中粒砂巖，均厚為5.3 m，巖層致密堅硬。1301 工作面布置5 條回采巷道，工作面采用“三進兩回”的通風方式，采用大采高一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板。

圖1 1301 工作面布置及井下位置圖

1301 回風順槽2，斷面寬5.7 m，高3.8 m，巷道沿煤層底板掘進，原有設計方案采用錨網索支護，巷道支護斷面如圖1，頂板和兩幫錨桿間排距分別為：940 mm×1 000 mm 和900 mm×1 000 mm，錨索間排距2 400 mm×2 000 mm。根據1301 工作面回采期間的礦壓觀測可知，采動影響下回風順槽2 在現有支護下變形嚴重，頂底板和兩幫移近量大，無法滿足巷道使用要求，基于工作面賦存特征，擬在1301回風順槽1 內采用切頂卸壓發方案，以保障回風順槽2 巷道圍巖的穩定。

圖2 1301 工作面回風順槽2 支護斷面圖

2 頂板定向爆破切頂卸壓理論

頂板定向爆破切頂卸壓技術是基于“切頂短臂梁理論”發展而來的一種圍巖控制技術，切頂卸壓的關鍵工序在于頂板精準定向預裂切縫。通過在頂板巖層中打孔，裝入聚能管，在聚能管內安裝乳化炸藥，通過炸藥的張拉應力使得巖體在產生裂縫，采用頂板定向爆破技術在頂板切頂完成后，能夠在回采巷道的煤柱一側形成一道定向預裂縫，該裂縫能夠有效切斷頂板應力傳遞路徑[1-3]。

頂板定向爆破主要通過采用聚能管內裝入炸藥，利用炸藥產生的爆轟沖擊波沿著聚能管的設定方向沿槽縫向兩側傳播，最終在孔壁處形成強烈的沖擊力，進而在鉆孔孔壁處形成初始裂隙，由于聚能管具有定向集中效果，其能夠使得爆破產生的沖擊波集中向一個方向傳遞，故采用聚能管進行爆破作業時，能夠形成的初始裂隙更長，初始裂隙會在爆生氣體、衰減應力波和準靜壓作用下逐漸擴展。頂板定向爆破的爆炸過程及裝藥與普通爆破相同，其差別主要是通過聚能管加大藥卷對巖體實現定向壓力，進而在鉆孔兩側巖體內形成貫穿裂隙[4-5]。具體頂板定向爆破原理如圖3 所示。

圖3 頂板定向預裂切縫技術原理圖

根據頂板定向預裂切縫技術原理，結合1301 工作面的賦存情況，采用以“切頂卸壓+單體柱臨時支護+錨索補強支護”的圍巖控制方案，通過頂板定向爆破有效切斷頂板應力傳遞，減弱巷道頂板壓力峰值，減小頂板超前壓力影響范圍，達到減小相鄰順槽變形的目的，通過采用臨時支護來保障爆破瞬間頂板的穩定。隨著工作面的不斷推進，將砌體梁轉化為切頂斷臂梁，減小工作面采動對相鄰順槽的壓力。

3 切頂卸壓方案及效果

3.1 切頂卸壓方案

根據1301 工作面的具體地質條件，結合頂板定向爆破切頂卸壓理論，以“切頂卸壓+單體柱臨時支護+ 錨索補強支護”為主體思路進行圍巖控制，具體切頂卸壓方案如下：

3.1.1 切頂卸壓鉆孔參數

1）切頂高度：根據眾多理論分析結果[6]，切頂鉆孔深度采用下式計算：

式中：Hf為切縫高度；K為碎脹系數，一般為1.3～1.5；H為工作面采高；ΔH1為頂板下沉量；ΔH2為底板鼓起量；根據玉溪煤業3 號煤層頂板巖層為泥巖、中粒砂巖，本設計K按1.35 取值，根據資料顯示，煤厚變化不大，取工作面最大采高H= 6.2 m時，計算得出Ha=18 m，根據鉆孔柱狀圖，該切縫深度正好將巷道頂板上方的砂巖切斷，故頂深度確定為頂板向上18 m。

2）切頂角度：根據1301 工作面最大采高為6.2 m，基于眾多切頂實踐結果，確定切縫角度為0°。

3）鉆孔間距: 根據1301 工作面賦存情況，為保證最終的切縫效果，結合眾多工程實踐結果，確定炮孔間距500 mm。

4）切縫孔布置方式：1301 工作面回風順槽1 切縫孔距煤柱幫500 mm，鉆孔平行巷道頂板布置，切縫孔φ52 mm，深度18 m，間距500 mm，角度0° ，切縫鉆孔布置如圖4。

圖4 1301 工作面回風順槽1 內切縫孔布置方式圖

3.1.2 頂板精準定向預裂爆破方式及裝藥結構

本次頂板精準定向預裂爆裝藥方式可采用4 孔連續裝藥隔1 個孔，預裂爆破采用D 型聚能管不耦和裝藥，D 型聚能管外徑33 mm，單根聚能管長度2 m，精準定向預裂爆破采用三級煤礦乳化炸藥。為保障爆破質量，每根聚能管內安裝2 發雷管，雷管內炸藥采用正向裝藥方式，雷管間采用并聯進行連接，炮孔間炸藥采用串連連接。在鉆孔內安裝聚能管時，必粗保障聚能管的扣蓋朝向采空區，每個切縫孔內安裝6.5 根聚能管，切縫孔采用炮泥進行封孔，設置封孔長度為5 m，基于鉆孔排距及炸藥特性，設計切縫孔的單孔裝藥量為6.7 kg，雷管16 發。

3.1.3 爆破前巷道支護

為保證切頂爆破過程巷道的穩定性，在對1301工作面順槽頂板進行預裂切頂爆破前，需在距切縫線500 mm 位置支設一排單體柱，單體柱方向與切縫線的方向保持一致，爆破時必須在臨時支護下進行。 單體柱間距1 000 mm，配合π 型梁（金屬鉸接頂梁）或大板使用，具體支護方式如圖5 所示。

圖5 臨時支護圖

3.1.4 回風順槽2 巷道補強方案

1301 工作面回風順槽1 進行切頂卸壓后，可以緩解回采動壓對相鄰沿空順槽的影響，為了達到對沿空順槽變形量的有效控制，仍然需要對沿空順槽進行必要的加固支護。輔助運輸順槽巷道加固支護，回風順槽2 原有的加固支護方案基礎上增加幫錨索支護，兩幫各增加3 根錨索，下掛W 鋼帶，連接成一個整體。錨索：φ15.24 mm×4 300 mm 鋼絞線，W 鋼帶：2 600 mm×300 mm×3 mm，錨固力：≥200 kN，預緊力：130±10 kN，具體巷幫錨索加固支護布置方式如圖6 所示。

圖6 回風順槽2 巷幫錨索加固支護示意圖

3.2 效果分析

1301 回風順1 內切頂卸壓方案實施后，回風順槽2 巷幫錨索加固后，在1301 工作面回采期間，在回風順槽2 內設置巷道表面位移監測站，巷道內每間隔50 m 布置1 個觀測點，現選取4 號測點進行圍巖變形分析，曲線如圖7 所示。

圖7 圍巖變形曲線圖

分析圖7 可知，回風順槽1 內切頂卸壓和回風順槽2 內巷幫錨索加固方案實施后，采動影響下圍巖變形量大幅降低，頂底板最大移近量為208 mm，兩幫最大移近量為74 mm，充分保障了采動期間圍巖的穩定。

4 結 論

根據1301 工作面回采期間回風順槽2 在原有支護下的變形特征，通過分析頂板定向爆破切頂卸壓理論，確定回風順槽2 采用“切頂卸壓+單體柱臨時支護+錨索補強支護”的支護方案，并對切頂方案中的各項參數進行具體設計，根據切頂方案實施后的圍巖變形分析可知，切頂后回風順槽2 圍巖變形量大的問題得到有效解決，保障了圍巖的穩定。