工作面切頂卸壓護巷技術可行性研究

周獻惠，陳玉龍

（1.山西煤炭運銷集團保安煤業有限公司，山西 陽泉 045000；2.晉能控股山西科學技術研究院（太原）科技公司，山西 太原 030000）

1 15110 工作面概述

保安煤礦位于陽泉市西部，礦井設計生產能力1.5 Mt/a，礦井內目前布置1 個綜采工作面，即15110綜采工作面。工作面呈南北方向布置，工作面內布置有進風巷、回風巷、高抽巷、底抽巷。東邊是15108 工作面采空區，西邊是15112 未采工作面，南側是井田邊界，北邊靠近15 號煤皮帶大巷。

15110 工作面回采煤層為15 號煤層，煤層平均厚度約4 m；頂板為K2 石灰巖，底板為泥巖及砂質泥巖。根據以往情況，采煤工作面在停采時，采用80 m寬的大巷保護煤柱。回采后大巷所受采動壓力仍然較大，巷道頂底板移近量、兩幫移近量均較大，且返修工作量大。為了改善此情況，盡量減小大巷保護煤柱的寬度及大巷受采動壓力的影響，決定采用切頂卸壓的方法來實現[1-3]。

切頂卸壓保護大巷，即在15110 工作面進風順槽與回風順槽采用爆破的方式切斷工作面與大巷之間上方頂板的力學聯系，使工作面內的采動壓力主要向上方更深的地方轉移，減小工作面采動應力影響范圍和采動應力大小，從而實現對工作面前方大巷的保護作用，減小巷道變形量，延緩巷道維修周期，為礦井長期正常與安全生產提供保障[4-5]。

2 切頂卸壓的必要性和方式選擇

2.1 切頂卸壓的必要性

15 號煤層工作面采用帶區式布置，大巷位于井田傾向中央，回采工作面位于大巷的南北兩側，生產中存在以下實際問題：

1）礦井煤層埋藏深，大多在600 m 以上，地應力大，同時井田內構造發育，二者共同產生了較大的地應力。根據在軌道斜巷的地應力測試，最大水平主應力32.26 MPa，最小水平主應力17.27 MPa。

2）煤層本身及煤層頂底板強度均較低，煤層堅固性系數f 為0.67，頂板抗壓強度49.3 MPa，底板抗壓強度54.4 MPa，煤與巖石的承載能力低。

3）大巷兩側的回采工作面在回采結束后對大巷產生很大的采動影響，礦井已采工作面所對應范圍內的大巷變形嚴重，長期返修。預計15110 工作面回采后依然會對所對應部分的大巷造成嚴重破壞。

為減小礦井大巷所承受的支承壓力，防止大巷受15110 工作面采后壓力影響，所以提出對該工作面頂板采取切頂卸壓措施，從而實現對工作面大巷的保護。

2.2 切頂卸壓方式選擇

目前，工作面頂板切頂卸壓逐漸成為減輕巷道所受動壓影響的重要技術手段，其方式主要有爆破法和水力壓裂法。

爆破法是最早發展起來的，也是世界范圍內應用最為廣泛的卸壓技術，目前廣泛應用于沖擊地壓防治、煤與瓦斯突出防治、堅硬頂板放頂等領域。爆破卸壓法施工工藝相對簡單，自動化水平低，所需施工設備數量少，切頂施工成本費用低，但是對于穩定軟巖巷道或高瓦斯礦井采用爆破切頂卸壓時，會對巷道產生震動破壞。

水力壓裂技術利用水壓作用使圍巖產生裂隙，該技術廣泛應用于高瓦斯礦井瓦斯抽采、采空區處理等領域中，水力壓裂技術施工時可人工控制預裂范圍，預裂精度高，但是在施工過程中安裝設備數量多、工序復雜且施工成本費用高。

考慮爆破切頂卸壓相對較為成熟，能夠保證定向預裂效果，確定采用爆破預裂切頂卸壓。

3 切頂施工技術參數

3.1 超前支承壓力監測

在15110 工作面回采過程中，用煤柱應力計在其回風順槽監測超前應力，整理得到的監測數據如圖1所示。

由圖1 可得，工作面超前應力距煤壁小于100 m的范圍內應力變化較大，所以在工作面到大巷的距離在100 m 以上時就切斷頂板，此時超前應力對大巷的影響最小，從而對大巷達到最好的保護效果。

3.2 工作面停采位置與切頂位置確定

根據15 號煤層頂底板賦存情況，通過FLAC3D模擬軟件，分別模擬切頂和不切頂條件下的應力分布情況，針對切頂和不切頂條件下的應力、位移分布情況進行對比分析，研究不同切頂高度下巷道變形情況，從而為切頂高度提供參考依據。

3.2.1 不切頂模擬分析

在不同停采煤柱寬度條件下，模型計算至穩定后所得到的垂直應力分布云圖如圖2 所示。

圖2 預留不同寬度停采煤柱圍巖內部應力（Pa）分布曲線圖

從圖2 中可以看出，在停采煤柱靠近采空區內10 m 左右出現應力集中現象，并且隨著煤柱寬度的減小，巷道周邊圍巖應力逐步增加。從不切頂條件下垂直應力分布圖中可以看出，在保安煤業的地層條件下15 號煤層的原巖應力約為20.4 MPa。在采空區側一段距離內出現應力集中現象。

3.2.2 切頂條件下模擬結果分析

通過對巷道變形量的監測結果發現，當停采煤柱寬度小于80 m 時，巷道變形量開始迅速增大，因此選擇在停采煤柱為80 m 時進行切頂卸壓模擬。本次模擬25 m、40 m 兩種切頂高度，對比不同切頂高度對緩解采空區超前應力對大巷影響的效果，如圖3 所示。

圖3 不同切頂高度對緩解采空區超前應力（Pa）對大巷影響的效果

從圖3 的垂直應力分布云圖可以看出，切頂后停采煤柱內的應力集中得到有效緩解，大巷圍巖應力環境有所改善，其中巷道頂板壓力顯著減小。

通過測點監測皮帶大巷與回風大巷在不同煤柱寬度中的受力情況，隨著煤柱寬度的減小，巷道變形量逐漸增大，且發現回風大巷與皮帶大巷所處位置存在高度差，巷道變形曲線不同，對比垂直應力分布云圖發現，采空區超前應力在工作面以下的影響范圍要更大。

在工作面停采線煤柱內切頂后，工作面內的壓力會發生轉移，煤柱上方的支承壓力和液壓支架的工作阻力會增大。為避免切頂后的大面積懸頂作用于支架，因此需要保留一定的安全煤柱距離，該距離一般為15～30 m。該切頂鉆孔在15 號煤南翼回風大巷內施工，為了縮小鉆孔長度，切頂線需靠近南翼回風大巷，切頂線至煤壁之間的煤柱寬度設為30 m。

4 爆破切頂施工方案

在15110 進、回風順槽與15 號煤南翼回風大巷分別施工鉆孔，終孔位置為K4 灰巖上邊界。

4.1 炮孔布置位置及間距

1）順槽切頂炮孔：在15110 進風順槽、回風順槽各施工8 個鉆孔，頂板與回采幫各4 個。幫部最下部的鉆孔距巷道底板2 m，往上依次施工鉆孔，孔間距0.5 m，巷道頂部第1 個鉆孔距幫部0.5 m，以孔間距0.5 m 依次布孔。

2）南翼回風大巷炮孔：在15 號煤南翼回風大巷內施工傾斜向上的炮孔，所有炮孔方位角為180°，開孔位置位于15 號煤南翼回風大巷南幫，底板以上3 m。該大巷內布置炮孔50 個，最西邊的鉆孔距15 號煤南翼回風大巷坡度為18°44′的一段的東側末端2 m。靠近高抽巷的6 個鉆孔終孔位置距高抽巷大約10 m。

3）炮孔間距：綜合考慮鉆孔施工量、裝藥密度、應力波疊加作用、頂板巖性及聚能管結構特征等因素，根據公式計算得爆破半徑為1.16 m，炮孔間距應大于等于2 倍爆破半徑，即2.32 m。實際打孔過程中可能發生鉆桿偏斜及巖石裂隙發育變化，鉆孔間距留有一定的富余量，在順槽內布置的炮孔間距取5 m，15 號煤南翼回風大巷內的炮孔間距取3 m。

4.2 裝藥方式

1）封孔長度：爆破預裂鉆孔采用水炮泥封孔時封孔長度不低于鉆孔總長的1/3；同時為保證爆破不會破壞15 號煤南翼回風大巷，封孔段長度不小于15 m。炮孔全部采用黃泥封孔，或者采用“兩堵一注”的方式封孔，封孔要封實但不得過緊，不得損傷雷管腳線。

2）裝藥結構：為了確保炮眼內炸藥的完全引爆，每段采用單雷管引爆，一次起爆的所有雷管采用同一段別，孔內均采用并聯連接，孔間采用串聯連接。采用2 m 長的聚能管為載體，每根聚能管即為1 段，線裝藥密度約為1.67 kg/m，采用徑向不偶合連續裝藥，每段聚能管下端裝1 個雷管，正向裝藥。

4.3 爆破方式及順序

1）該切頂在15 號煤南翼回風大巷內與15110進、回風順槽進行，能提前完成切頂，故切頂距回采工作面距離較遠，對回采工作影響較小。根據裝藥、聯線、封孔等主要工序所需時間，考慮一定的爆破安全系數，一次最大起爆藥量可取150～200 kg，一次起爆的孔實施外串聯爆破。

2）進風順槽內的炮孔編號為1 號、2 號、…、8 號，回風順槽內的炮孔編號為A 號、B 號、…、H 號。進風順槽內的炮孔爆破順序為8 號、6 號、7 號、4 號、5 號、3 號、2 號、1 號，回風順槽內的炮孔爆破順序為H 號、F 號、G 號、D 號、E 號、C 號、B 號、A 號。15 號煤南翼回風大巷的炮孔爆破可由進風順槽向回風順槽進行，也可由回風順槽向進風順槽進行。

5 結語

截至2021 年12 月3 日，15110 綜采工作面已回采結束，停采線與大巷之間預留保安煤柱寬度為80 m，通過對工作面采取爆破切頂卸壓后，工作面回采應力通過回撤通道提前釋放，削弱了應力對保安煤柱及大巷圍巖產生的破壞作用，通過后期觀察發現，工作面回采后大巷圍巖未出現頂板破碎、幫部垮落、底鼓等現象。實際應用效果表明，采用切頂卸壓技術能夠對大巷圍巖起到保護作用，具有可行性。