切頂卸壓沿空留巷之復(fù)合型頂板的定向聚能切縫技術(shù)

湯朝均，宋潤(rùn)權(quán)，宋立兵，胡建平，郭鵬飛

(1.川煤芙蓉集團(tuán) 白皎煤礦責(zé)任公司，四川 珙縣 644501；2.神東煤炭集團(tuán) 哈拉溝煤礦，陜西 大柳塔 719315；3.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

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切頂卸壓沿空留巷之復(fù)合型頂板的定向聚能切縫技術(shù)

湯朝均1，宋潤(rùn)權(quán)1，宋立兵2，胡建平2，郭鵬飛3

(1.川煤芙蓉集團(tuán) 白皎煤礦責(zé)任公司，四川 珙縣 644501；2.神東煤炭集團(tuán) 哈拉溝煤礦，陜西 大柳塔 719315；3.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

針對(duì)12201工作面切頂卸壓沿空留巷項(xiàng)目中復(fù)合型頂板巖層間隔分明、巖性差異大的特點(diǎn)，提出了聚能管間隔空氣柱裝藥的方式進(jìn)行定向聚能切縫爆破，并首次在此類項(xiàng)目中采用孔內(nèi)攝像儀對(duì)切頂孔爆破前后孔內(nèi)巖性和裂隙進(jìn)行記錄、對(duì)比的方法驗(yàn)證切縫效果，解決了因復(fù)合型頂板導(dǎo)致的定向聚能切縫效果差的難題，確保了切頂卸壓沿空留巷項(xiàng)目的成功應(yīng)用。

沿空留巷；復(fù)合型頂板；聚能管；切縫；孔內(nèi)攝像儀

Studying and Practical of Orientation Explosive Incision Key Technique of Complex Roof in Gob-side Entry Retaining under Roof Cutting Unloading

哈拉溝煤礦12煤層采用盤區(qū)式開采，12煤層巷道頂板是部分具有軟巖性質(zhì)的復(fù)合型頂板，巷道掘進(jìn)期間淋水大、支護(hù)強(qiáng)度高等因素導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)大、支護(hù)成本高，回采期間超前壓力導(dǎo)致的直接頂“網(wǎng)兜”、巷幫片幫等現(xiàn)象也對(duì)工作面正?；夭蓭?lái)了一定安全威脅。因此，哈拉溝煤礦在經(jīng)多次礦井遠(yuǎn)景規(guī)劃性研究后，決定在12煤層12201工作面與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)、川煤芙蓉集團(tuán)合作開展“切頂卸壓沿空留巷”項(xiàng)目，以期通過(guò)該項(xiàng)目打破傳統(tǒng)“一面兩巷”(一切眼，一進(jìn)風(fēng)巷，一回風(fēng)巷)、工作面間隔留設(shè)煤柱的開采方法。

1　工程概況

1.1工作面概況

12201綜采面為哈拉溝煤礦首個(gè)沿空留巷工作面，切眼長(zhǎng)320m，12201回風(fēng)巷長(zhǎng)747m，12201運(yùn)輸巷將進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷，作為相鄰12202綜采工作面回風(fēng)巷。12201綜采面推進(jìn)172m后(即推進(jìn)至相鄰12202綜采面切眼后15m位置)開始留巷，留巷至12201主回撤通道，留巷總長(zhǎng)度為580m。巷道平面布置如圖1所示。

圖1　12201工作面巷道布置

1.2工作面頂、底板巖性

12煤厚1.6～2.4m，工作面平均采高2m，其上覆基巖厚55～70m，松散層厚0～33.48m，埋深60～100m，靠回撤通道區(qū)域地表有基巖出露。12煤層頂板屬于復(fù)合型頂板，直接頂為粉砂巖，厚0.8～1.3m，均厚1.1m；直接頂上部為12上煤層，厚0～2.9m，均厚2.8m；12上煤層上部為厚0.55～2.14m、均厚1.3m的泥巖，基本頂由均厚為3.34m的細(xì)粒砂巖和均厚為4.05m的粉砂巖組成；直接底為粉砂巖，均厚3.67m。

2　定向聚能切縫技術(shù)

2.1切頂卸壓沿空留巷

切頂卸壓沿空留巷的技術(shù)定義[1-2]是：工作面回采前，在需留巷巷道頂板巖層內(nèi)采用爆破的方式進(jìn)行預(yù)裂切縫，即切斷留巷和工作面煤層頂板在一定深度范圍內(nèi)的聯(lián)系；工作面回采后，在頂板周期來(lái)壓的作用下，沿空切頂，采空區(qū)頂板自然垮落形成采空區(qū)采場(chǎng)初步穩(wěn)定的“大結(jié)構(gòu)”、并充填形成巷幫，進(jìn)而保留留巷為臨近下工作面使用。

從以上切頂卸壓沿空留巷的技術(shù)定義可以看出，切頂卸壓是此項(xiàng)目能否成功運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)，而切頂則是切頂卸壓的核心，卸壓只是頂板巖層切斷后隨之伴生的附加效果和需要達(dá)到的目的。

2.2定向聚能切縫技術(shù)

切頂是在原完整的巖層中通過(guò)爆破技術(shù)定向切出一條具有一定高度、連續(xù)而均勻的裂縫，此裂縫可以在設(shè)定方向上切斷留巷與采空區(qū)頂板之間一定深度范圍內(nèi)的力的傳遞或聯(lián)系；同時(shí)在非設(shè)定方向上盡量減小爆轟作用(指爆炸沖擊波、氣體凈應(yīng)力場(chǎng)等)對(duì)留巷頂板巖層的損傷，增大留巷后巷道在使用過(guò)程中的頂板安全可靠性。因此，從爆破定向聚能切縫的角度看，切頂又可稱之為“定向聚能切縫”。

根據(jù)以上頂板巖層定向聚能切縫的釋義，采用了“切頂孔+聚能管+炸藥”的組合模式進(jìn)行定向聚能切縫。

切頂孔是由鉆孔鉆機(jī)在切縫線每隔一定距離施工而成，它主要是在爆破過(guò)程中放置聚能管、控制切頂深度等作用。

聚能管是采用塑料管加工而成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，該管具有兩方面特征：在管壁兩側(cè)對(duì)應(yīng)間隔固定距離均勻設(shè)計(jì)了聚能孔，爆破產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波首先從聚能管聚能孔中沖出，并對(duì)應(yīng)作用于切頂孔孔壁上，因通常情況下一定范圍內(nèi)巖石的動(dòng)抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于炸藥爆破的沖擊能量[3-5]，故頂板巖層將形成初始裂隙；爆破能量在管壁的束縛下沿孔徑方向?qū)a(chǎn)生強(qiáng)烈的壓縮應(yīng)力波，同時(shí)聚能管孔方向(即為巷道設(shè)計(jì)切縫方向)將產(chǎn)生相應(yīng)的拉伸應(yīng)力波[6-8]，此拉伸應(yīng)力波使巖層整體沿已有弱面(即爆破沖擊波沿聚能管聚能孔沖出致使巖層產(chǎn)生的初始裂隙)被進(jìn)一步拉伸或破斷，這樣一方面可使爆破產(chǎn)生的裂縫更加均勻、細(xì)致，而不是普通爆破式的雜亂無(wú)章，另一方面，爆破能量作用在聚能管管壁上，管壁起到了一定緩沖和保護(hù)作用，減少了沖擊波和爆生氣體對(duì)非設(shè)計(jì)方向頂板巖層的直接作用和破壞，有利于巷道留巷后的復(fù)用。

圖2　雙向聚能管結(jié)構(gòu)示意

3　12201工作面定向聚能切縫技術(shù)方案

3.1切頂孔位置和間距

為使聚能管的聚能孔方向與切縫線保持一致，且根據(jù)在未留巷段采用“切頂孔+聚能管+炸藥”組合對(duì)巷道頂板進(jìn)行聚能切縫爆破的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)施工方便的考慮，如圖1、圖3所示，確定“切縫線距離巷道邊緣為0.2m，切頂孔中心沿切縫線設(shè)計(jì)，切頂孔間距0.6m”的方案可以使爆破產(chǎn)生的切縫效果達(dá)到最優(yōu)和經(jīng)濟(jì)效益最大(經(jīng)濟(jì)效益主要指減小了切頂孔間距，即減少了施工切頂孔工程量和爆破工程量等)。

3.2切頂孔孔徑

根據(jù)炸藥(炸藥藥卷直徑為32mm)、聚能管(聚能管內(nèi)徑為36.5mm、外徑為42mm)和切頂孔“三徑”相匹配的原則，確定切頂孔直徑為46mm。

3.3切頂孔長(zhǎng)度和角度

根據(jù)切頂卸壓沿空留巷的技術(shù)定義和采空區(qū)頂板垮落的特點(diǎn)，要減小采空區(qū)基本頂周期來(lái)壓對(duì)留巷巷道頂板造成的破壞，在基本頂來(lái)壓前需利用采空區(qū)頂板垮落矸石的碎脹性形成基本支撐基本頂?shù)拇紊胶獾摹按蠼Y(jié)構(gòu)”[9-10]， 切頂孔的計(jì)算深度(即采空區(qū)頂板需垮落高度)h：

式中，m為煤層厚度，根據(jù)工作面平均采高，取2m；k為巖石碎脹系數(shù)，根據(jù)哈拉溝以往經(jīng)驗(yàn)，取1.4；a為煤層傾角，哈拉溝12煤層為近水平煤層，傾角取0°。

通過(guò)以上計(jì)算，切頂孔的計(jì)算深度h為5.25m。

為加速采空區(qū)頂板的垮落和保護(hù)留巷巷道頂板，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在確保采空區(qū)垮落矸石能形成新的平衡“大結(jié)構(gòu)”的前提下，可將切頂孔向采空區(qū)側(cè)偏移10°，此時(shí)切頂孔理論設(shè)計(jì)長(zhǎng)度h1=h/cos10°=5.33m。

綜上所述，為在切縫過(guò)程中保持一定富余系數(shù)，確定切頂孔向采空區(qū)側(cè)偏移10°，切頂孔實(shí)際設(shè)計(jì)長(zhǎng)度h2=6m，如圖3所示。

圖3　巷道斷面示意

3.4切頂孔裝藥結(jié)構(gòu)

12201運(yùn)輸巷頂板為復(fù)合型頂板(頂板從粉砂巖→煤層→泥巖→細(xì)砂巖、粉砂巖等)，且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探鉆的情況看，各層巖石之間間隔分明、巖性差異大，在巖層切縫過(guò)程中必須盡量避免由于巖層巖性的差異性導(dǎo)致設(shè)計(jì)深度范圍內(nèi)巖層切縫不充分的現(xiàn)象，即此復(fù)合型頂板中僅在某一層或兩層巖層中采用“切頂孔+聚能管+炸藥”的組合方式進(jìn)行定向聚能爆破時(shí)，爆破能量可能由于巖層抗動(dòng)壓強(qiáng)度等不同導(dǎo)致爆破沖擊波、壓或拉伸應(yīng)力波作用在巖層中的不同步性進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生切縫效果的不一致性，或爆破能量在不同巖層交界區(qū)(如粉砂巖與煤層交界處、泥巖與細(xì)砂巖交界處等)可能由于巖性差異而極速擴(kuò)散，導(dǎo)致達(dá)不到切縫的目的。

因此，本次定向聚能切縫爆破裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以爆破過(guò)程中盡量減小對(duì)留巷巷道頂板巖層破壞為原則，同時(shí)兼顧解決復(fù)合型頂板各巖層間隔分明、巖性差異大的難題，采用了聚能管間隔空氣柱的裝藥方式(圖4)，即采用了3根1.5m、1根1m聚能管，在孔底細(xì)砂巖、粉砂巖段裝了“3條炸藥(煤礦2級(jí)乳化炸藥，下同)+1個(gè)雷管”，在中部泥巖和煤層段裝了“2條炸藥+1個(gè)雷管”，在孔口煤層和粉砂巖段裝了“2條炸藥+1個(gè)雷管”，即單孔內(nèi)并聯(lián)啟爆，這就解決了不同巖性巖(煤)破斷強(qiáng)度需求的不同，且解決了炸藥在孔內(nèi)發(fā)生殉爆的問(wèn)題。

圖4　切頂孔裝藥結(jié)構(gòu)示意

4　切縫效果檢驗(yàn)

(1)本次切頂卸壓沿空留巷項(xiàng)目中孔內(nèi)切縫效果采用了孔內(nèi)攝像儀進(jìn)行效果驗(yàn)證，即在切縫炮孔未爆破前，采用孔內(nèi)攝像儀對(duì)孔內(nèi)巖性及裂隙等情況進(jìn)行記錄，待切縫炮孔爆破后，再采用孔內(nèi)攝像儀對(duì)孔內(nèi)巖性及裂隙等情況進(jìn)行記錄，然后對(duì)切頂孔爆破前后進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證切縫效果。12201運(yùn)輸巷復(fù)合型頂板在采用了聚能管間隔空氣柱裝藥的方式進(jìn)行切縫爆破后，孔內(nèi)裂隙率全部達(dá)到了90%以上，此結(jié)果對(duì)確保今后工作面頂板切頂卸壓達(dá)到設(shè)計(jì)目的起到了決定性作用。圖5為其中某一切頂孔爆破前后的裂隙對(duì)比圖。

圖5　某切頂孔定向聚能切縫爆破前后裂隙對(duì)比

(2)從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況看，進(jìn)行定向聚能切縫爆破后，工作面頂板逐步進(jìn)入采空區(qū)，從頂板垮落步距看，采空區(qū)部分直接頂“隨采隨垮”， 設(shè)計(jì)切頂深度范圍內(nèi)懸頂部分在滯后工作面5～8m區(qū)域基本全部垮落，未出現(xiàn)普通未切縫留巷工作面滯后采空區(qū)較長(zhǎng)范圍的采空區(qū)頂板未垮落“三角區(qū)”。

(3)從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況看，12201運(yùn)輸巷未留巷段(即12201運(yùn)輸巷前172m)頂板在進(jìn)入采空區(qū)范圍后，隨著工作面的推進(jìn)，出現(xiàn)了巷道頂板被拉裂、頂板臺(tái)階式不規(guī)則垮落等現(xiàn)象；而12201運(yùn)輸巷留巷段頂板在定向聚能切縫后，巷道頂板在留巷過(guò)程中完整保留，未出現(xiàn)未留巷段頂板類似的被破壞情況。

5　結(jié)　論

(1)因以往頂板定向聚能切縫爆破效果無(wú)法驗(yàn)證，故以往此類切頂卸壓沿空留巷的聚能切縫爆破都是在超前工作面一定范圍內(nèi)進(jìn)行的，即邊爆破邊驗(yàn)證，用采空區(qū)頂板實(shí)際垮落效果驗(yàn)證切縫爆破設(shè)計(jì)正確與否；而12201工作面首次采用了工作面全長(zhǎng)提前聚能切縫爆破，孔內(nèi)攝像儀自動(dòng)記錄切頂孔爆破前后裂隙狀況，形成鮮明對(duì)比，其對(duì)爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)、修正和驗(yàn)證都發(fā)揮了重要作用。

(2)本次切頂卸壓沿空留巷項(xiàng)目在復(fù)合型頂板的采煤工作面應(yīng)用是一種全新的嘗試，對(duì)巖性差異較大各個(gè)巖層的切縫技術(shù)都提出了更新、更精準(zhǔn)的要求。此項(xiàng)目的成功為今后切頂卸壓沿空留巷項(xiàng)目在煤礦開采過(guò)程中的全面推廣起到了積極推動(dòng)和示范作用。

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[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

2015-11-26

湯朝均(1986-)，男，四川筠連人，助理工程師，主要負(fù)責(zé)科研項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施、總結(jié)和井巷設(shè)計(jì)。

TD323

B

1006-6225(2016)05-0056-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.016

[引用格式]湯朝均，宋潤(rùn)權(quán)，宋立兵，等.切頂卸壓沿空留巷之復(fù)合型頂板的定向聚能切縫技術(shù)[J].煤礦開采，2016，21(5)：56-58，39.