同忻礦特厚煤層臨空順槽切頂卸壓技術(shù)研究

王星星 王亞軍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦，山西 大同 037000）

1 概況

1.1 礦井開采條件

同忻礦目前主要開采侏羅紀(jì)3-5#層，平均采高15 m，采用大采高綜放開采，開采強(qiáng)度大，礦壓顯現(xiàn)劇烈。采用小煤柱沿空掘巷后，巷道布置問題雖得到解決，提高了采區(qū)采出率，但小煤柱巷道回采期間仍然伴隨強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，巷道超前影響范圍大，礦壓劇烈，不易維護(hù)[1-5]。

隨著同忻礦工作面埋深與采高、推進(jìn)速度和開采強(qiáng)度的不斷增大，在礦井安全生產(chǎn)方面出現(xiàn)了一系列新的問題：（1）在現(xiàn)代化大規(guī)模高強(qiáng)度開采條件下，開采擾動(dòng)過程強(qiáng)烈，引起大范圍工程系統(tǒng)中能量的突然釋放、轉(zhuǎn)移、傳遞，動(dòng)載沖擊特征明顯；（2）礦井采掘期間強(qiáng)礦壓現(xiàn)象頻繁發(fā)生；（3）工作面超前巷道變形、采場片幫與工作面端頭冒頂嚴(yán)重。這些問題都給工作面的回采帶來了安全風(fēng)險(xiǎn)。在工作面超前支承壓力以及上工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ寞B加應(yīng)力影響下，回采巷道片幫、底鼓嚴(yán)重，巷道返修成本高，嚴(yán)重制約了工作面的安全高效回采。因此，高強(qiáng)度開采條件下小煤柱巷道的強(qiáng)礦壓治理成為目前同忻礦亟待解決的技術(shù)難題。

1.2 工作面概況

8210 工作面5210 巷位于一水平二盤區(qū)西部，開采3-5#煤層，煤層厚度5.59～15.88 m，平均煤厚12.54 m，煤層傾角0～3°，平均1.5°。5210 巷全長867 m，巷道采用矩形斷面，寬5.2 m×高4.2 m。巷道對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高+1 384.9～ +1 340.9 m，煤層底板標(biāo)高+838～ +848 m，平均埋深519.9 m。8210 工作面5210 巷布置示意圖如圖1。

圖1 8210 工作面5210 巷布置示意圖

5210 巷為沿空掘巷，位于8305 工作面（已回采）東南部，與8305 工作面煤柱寬5 m。5210 巷東北部為三條盤區(qū)大巷，東南部為8210 工作面，西南部為未采動(dòng)實(shí)體煤，上覆為同家梁礦及白洞礦侏羅系14號(hào)煤層8306 工作面采空區(qū)，與該層間距184～214 m。對(duì)應(yīng)地表位于銀塘溝新村的東北部，杏樹灣溝北部，龍王廟西部，主要溝谷為杏樹灣溝北部。

2 切頂卸壓方案

2.1 小煤柱巷道切頂卸壓技術(shù)原理

對(duì)于存在堅(jiān)硬頂板的工作面，若上一工作面回采前未對(duì)頂板采取切頂措施，則回采后采空區(qū)易形成長懸臂梁結(jié)構(gòu)，且本工作面回采期間隅角頂板不易垮落，造成小煤柱巷道變形嚴(yán)重。基于以切斷基本頂為目標(biāo)的小煤柱巷道切頂卸壓技術(shù)原理，在本工作面回采前采用切頂技術(shù)在巷道和煤柱上方基本頂之間形成弱面，減小采空區(qū)側(cè)懸頂，減小工作面后方頂板懸頂面積，加快工作面后方頂板垮落，從而減小小煤柱巷道的壓力和變形，保證工作面快速推進(jìn)。如圖2。

圖2 切頂卸壓技術(shù)原理示意圖

（1）炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波通過聚能管的聚能槽，將炸藥的動(dòng)能和勢能轉(zhuǎn)換成高壓、高速、高能的射流，切割巖石成縫，形成1～2 cm 的深縫。

（2）射流在孔壁產(chǎn)生射流壓力達(dá)7000 MPa，相鄰兩炮孔互為臨空面，疊加后的壓縮波變?yōu)橄∈璨?，在兩炮孔連線上使巖石結(jié)構(gòu)斷裂，形成裂紋。

（3）準(zhǔn)靜態(tài)氣體膨脹，靜態(tài)壓力在兩炮孔最短連線兩側(cè)產(chǎn)生拉力使巖石裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。

（4）根據(jù)爆破應(yīng)力集中氣刃作用原則，爆破氣體沿裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大貫通，切開巖石。

聚能管采用抗阻燃、抗靜電材料制作，直徑48～63 mm，長度一般為2 m/根，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際使用情況進(jìn)行調(diào)整。聚能管由管體、扣蓋組成，由連接件、導(dǎo)向頭等組件配合使用。為防止裝入孔內(nèi)的聚能管下滑，需要配合防滑倒刺使用。如圖3。

圖3 聚能管各組件實(shí)物圖

2.2 5210 巷切頂卸壓方案

5210 巷爆破鉆孔開孔位于煤柱幫側(cè)，由于管路、線路等影響，開孔位置距幫0.8～1.5 m，要求開孔位置呈直線布置，如果因管路、線路等凸起，開孔位置應(yīng)平緩過渡。具體各卸壓鉆孔參數(shù)及布置情況見圖4 和表1。

表1 窺視鉆孔參數(shù)表

圖4 窺視鉆孔布置示意圖（m）

2.3 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

為有效切斷頂板，減小巷道壓力，目標(biāo)切頂高度范圍內(nèi)的巖層均應(yīng)被有效切頂。因此裝藥段長度長。但爆破區(qū)域距離組合錨索較近，巷道中部的組合錨索受爆破影響可能出現(xiàn)錨固力降低的情況，如圖5。

圖5 爆破對(duì)組合錨索的影響（m）

為保證錨索支護(hù)質(zhì)量，防止爆破后頂板沿切縫出現(xiàn)臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，設(shè)計(jì)在爆破后對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。采用錨索鋼梁補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索規(guī)格Φ21.8 mm×8300 mm 鋼 絞 線，間 排 距1900 mm×2700 mm，每排三根，垂直頂板布置，距工字鋼兩側(cè)邊緣250 mm；工字鋼梁規(guī)格：11#工字鋼，長度4.5 m；托盤選用150 mm×150 mm×12 mm 鋼托盤；每根錨索使用1 卷MSK2360、2 卷MSZ2360 樹脂藥卷錨固，預(yù)應(yīng)力不小于290 kN，錨固力不小于370 kN。

3 切頂卸壓效果

在實(shí)施爆破切頂眼相鄰的未爆破的鉆孔進(jìn)行窺視，發(fā)現(xiàn)相鄰鉆孔里面出現(xiàn)了明顯的裂隙和破碎區(qū)域，具體鉆孔窺視情況如圖6。

圖6 爆破切頂前后鉆孔裂隙發(fā)育情況

從未爆破切頂前鉆孔的窺視情況和實(shí)施爆破后相鄰鉆孔的窺視情況可以明顯看出，上覆目標(biāo)層位的堅(jiān)硬巖層已經(jīng)出現(xiàn)明顯的裂隙和破碎區(qū)域，起到了卸壓的效果。

觀測巷道圍巖變形在未采取切頂卸壓方案之前的變形和采取切頂卸壓方案之后的變形，得到巷道頂?shù)装遄冃瘟坑芍暗?.8～1.5 m 范圍縮短到目前的0.3～0.8 m 之間，頂板變形量明顯下降；巷道兩幫的變形由之前的1～2.2 m 縮短到目前的0.5～1 m，巷道兩幫變形量明顯下降。

4 結(jié)語

（1）為減弱臨空小煤柱巷道產(chǎn)生的礦壓影響，設(shè)計(jì)采用切頂卸壓技術(shù)和聚能爆破切頂技術(shù)。

（2）根據(jù)8210 工作面5210 巷地質(zhì)條件，制定了聚能爆破切頂卸壓的技術(shù)方案。通過對(duì)鉆孔切頂前后的窺視，指定目標(biāo)層出現(xiàn)明顯的裂隙和破碎，起到卸壓的效果。