高地應(yīng)力復(fù)合頂板條件下切頂卸壓護巷技術(shù)研究

摘? 要：文章研究切頂卸壓主體設(shè)計，建立傾斜厚煤層切頂卸壓護巷的力學(xué)模型;提出傾斜厚煤層切頂卸壓護巷方案;通過深孔定向爆破，在切斷工作面頂板與周圍頂板的應(yīng)力傳遞，最大程度的削減周圍巖層對預(yù)留巷道頂板的破壞，深孔預(yù)裂爆破保護頂板的完整性，達到切頂卸壓護巷效果。解決工作面鄰面接替相鄰巷道受二次動壓影響制約生產(chǎn)難題，同時為新工藝、新技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)活動中的推廣和使用提供可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高地應(yīng)力復(fù)合頂板;切頂卸壓;護巷技術(shù)

中圖分類號：TD353? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

1 研究的目的和意義

煤炭目前是我國國民生產(chǎn)主要能源，隨著煤炭資源的逐步減少，今后煤礦開采重點將轉(zhuǎn)向埋藏深，開采條件相對困難的高地應(yīng)力區(qū)域。我國現(xiàn)有煤礦開采方式90%為長壁式開采，以往留煤柱開采過程中巖層斷裂引起圍巖力學(xué)疊加和擾動，破壞頂板并且造成集中應(yīng)力現(xiàn)象，是造成瓦斯積聚、冒頂、火災(zāi)等事故的根本因素，且由于順槽煤柱的存在，將多丟煤至少8%，多掘順槽巷道50%。

采動引起的采區(qū)附近巷道壓力增大、巷道變形等因素嚴重阻礙煤礦的安全高效生產(chǎn)，隨著煤炭資源的減少和開采難度的增加，切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)逐漸被眾多煤礦推廣應(yīng)用，其核心步驟如：（1）利用恒阻錨索對巷道頂板加強支護，以保證隨后預(yù)裂頂板，切頂時不影響巷道質(zhì)量。（2）利用切縫鉆機施工爆破鉆孔，聚能爆破裝置超前預(yù)裂頂板，在頂板形成預(yù)裂縫。（3）利用礦山壓力在采場周期來壓時頂板預(yù)裂縫自動實現(xiàn)沿空切頂，將頂板切落下來，從而達到保護相鄰巷道的目的。

將切頂卸壓技術(shù)用于治理采空區(qū)附近巷道變形，經(jīng)過切頂?shù)南锏雷冃卧鏊佥^慢，變形量明顯減少，不僅達到了治理巷道變形的目的，還具有經(jīng)濟、高效、施工方便簡單的特點。因此，采用并推廣切頂卸壓護巷技術(shù)將是煤炭資源可持續(xù)發(fā)展的重要方向，同事也是解決煤礦頂板災(zāi)害事故的有效手段。

2 研究主要技術(shù)參數(shù)

2.1 頂板深孔預(yù)裂定向切縫原理

在爆破炮孔中采用定向聚能裝置進行裝藥，并使聚能方向?qū)蕯嗔逊较?。起爆后，沖擊波和應(yīng)力波優(yōu)先沿設(shè)定方向集中釋放，在炮孔壁上形成和聚能孔方向一致的初始裂縫。爆生氣體大量、快速涌入徑向初始裂縫，在設(shè)定方向產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，斷裂巖體，實現(xiàn)頂板深孔預(yù)裂切縫。

2.2 深孔預(yù)裂爆破原理

采用定向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，將特定規(guī)格的煤礦許用炸藥裝在兩個設(shè)定好方向有聚能管中;起爆后，炮孔周圍的圍巖在非設(shè)定方向上受壓，而在設(shè)定方向上集中受拉，利用巖石抗壓怕拉的性質(zhì)，使巖石按設(shè)定方向拉裂成縫造成破壞，從而實現(xiàn)被爆破巖體按設(shè)定方向斷裂成型，到達切縫的目的。

2.3 爆破預(yù)裂深度的確定

（1）通過以往切頂卸壓綜合數(shù)據(jù)分析，更合理的確定預(yù)裂切縫深度（H縫）設(shè)計一般大于2.6倍采高，即H縫≥2.6H煤，按煤層厚度4.5m計算，H縫=11.7m。

（2）深孔預(yù)裂切縫鉆孔深度與采高、煤層頂板下沉量及巷道底鼓量有關(guān)，一般通過如下方程式計算：

式中：ΔH1：頂板下沉量，m;ΔH2：底鼓量，m;k：碎脹系數(shù)，1.3～1.5。

根據(jù)頂板巖性，考慮到上部巖層為粉砂巖和中砂巖整體，K取值1.4，在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，工作面煤層厚度H煤為4.5m時，計算得H縫=11.7m。

（3）綜合分析上述計算結(jié)果，同時參照本地區(qū)鉆孔柱狀圖巖層狀況并考慮到切縫鉆孔的傾斜在豎直方向切頂?shù)臏p少量，預(yù)裂切縫孔深度設(shè)計為H縫=13.0m。

2.4 頂板預(yù)裂爆破鉆孔施工要求

（1）參照設(shè)計的要求，以巷道中心線為基準，沿回采側(cè)巷道頂板標出各鉆孔位置，并且所有鉆孔必須布置在一條直線上，鉆孔間距 不大于600mm。（2）調(diào)整定向鉆眼鉆機的位置，使鉆機鉆臂（即鉆桿）在三維空間上與水平面成 75°夾角，與上述鉆孔連線垂直;（3）使用Ф48mm的專用鉆頭，按照上述角度，在巷道頂板鉆孔標注位置，進行鉆進施工，鉆進深度為 13000mm，確保操作鉆機準確，保證成孔的平直度，以確保爆破效果完好。

2.5 頂板深孔預(yù)裂切縫爆破施工主要工藝流程

頂板深孔預(yù)裂切縫爆破采用專利化聚能拉張切縫爆破法，具體工藝流程如：（1）在施工完的爆破鉆孔中安裝外徑42mm，內(nèi)徑36.5mm，BTC-1500型聚能管，每節(jié)管長1500mm，每鉆孔安裝7根聚能管，聚能管捅到孔底。（2）在聚能管中放置煤礦許用三級乳化炸藥，經(jīng)反復(fù)試驗得出最佳裝藥量為每孔13個卷藥，藥包長300mm，外徑Ф30mm。每個聚能炮孔在裝藥前，先在巷道內(nèi)按照爆破裝藥設(shè)計參數(shù)從孔底聚能管開始依次裝藥，并安設(shè)雷管和引線，然后將引線穿過第二根聚能管，并將第二根聚能管與第一根聚能管用專用卡件連接，然后在第二根管內(nèi)開始連續(xù)裝藥并安設(shè)引線，依次重復(fù)按照上述辦法，完成全部聚能管裝藥工作，每個聚能管設(shè)置一個雷管，未裝藥聚能管則不需雷管。（3）孔口用炮泥封孔，封孔長度不小于2500mm。（4）按照煤礦安全施工操作規(guī)程規(guī)定設(shè)置安全放炮距離，組織爆破工作。

3 研究的思路及方法

3.1 研究方法

（1）文獻資料法。利用互聯(lián)網(wǎng)、閱覽室等廣泛查閱相關(guān)的文獻資料，加以分析與研究。在對工程地質(zhì)條件充分研究的基礎(chǔ)上，分析巷道頂板各巖層力學(xué)性質(zhì)，提出傾斜厚煤層切頂卸壓護巷方案。（2）實踐調(diào)查法。在已有切頂卸壓護巷實驗研究的基礎(chǔ)上，進行現(xiàn)場爆破參數(shù)試驗，提出厚煤層切頂卸壓護巷施工工藝，并進行現(xiàn)場工程應(yīng)用。

3.2 實施路線

（1）研究的總體思路：研究切頂高度、切頂角度、炮孔間距等關(guān)鍵參數(shù)的作用機理，在對工程地質(zhì)條件充分研究的基礎(chǔ)上，分析巷道頂板各巖層力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合力學(xué)分析、數(shù)值模擬等方法對巷道及采場圍巖變形、受力特征進行研究;（2）確定研究課題：高地應(yīng)力復(fù)合頂板條件下切頂卸壓護巷技術(shù)研究與應(yīng)用;（3）制定研究計劃：實地考察，聯(lián)系科研單位，制定可行性方案等;（4）研究結(jié)果及其反饋：收集各類反饋意見，撰寫相關(guān)研究論文報告，完善研究成果。

4 取得的主要成果

（1）研究切頂卸壓主體設(shè)計，建立傾斜厚煤層切頂卸壓護巷的力學(xué)模型;提出傾斜厚煤層切頂卸壓護巷方案;通過預(yù)裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應(yīng)力傳遞，減弱巷道頂板壓力，預(yù)裂爆破保護好頂板完整性，達到切頂卸壓護巷效果。（2）頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)是在對比研究多種聚能爆破和定向爆破方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型聚能定向爆破施工技術(shù)，此工藝簡單、實用，應(yīng)用時只需要在預(yù)裂線上施工爆破孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向?qū)?yīng)于巖體預(yù)裂方向。爆炸后的告訴氣體將在兩個設(shè)定方向上形成聚能流，并產(chǎn)生極大的定向張拉應(yīng)力，使預(yù)裂炮孔沿聚能方向貫穿巖體，形成預(yù)裂面。由于鉆孔間的巖石是斷裂的，爆破炸藥單耗將大大下降，同時由于聚能裝置對圍巖的保護，鉆孔周邊巖體所受損傷也大大降低，即實現(xiàn)預(yù)裂的同時又可以最大程度的保護巷道頂板的完整性。（3）切頂卸壓護巷開采技術(shù)不僅解決了工作面鄰面接替相鄰巷道受二次動壓影響制約生產(chǎn)難題，同時也為新工藝、新技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)活動中的推廣和使用提供了可靠的依據(jù)。通過打破常規(guī)，積極應(yīng)用新工藝、新技術(shù)，不僅節(jié)約了動壓巷道維護成本，同時也為創(chuàng)建企業(yè)轉(zhuǎn)型升級做出了貢獻。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟效益

（1）切頂卸壓護巷技術(shù)可有效緩解煤礦采掘接續(xù)緊張的問題，減少巷道整修工作量，間接減少掘進一條巷道，掘進巷道每米勞動用工費用和設(shè)備材料費用按7000元計算，保護巷道長度500m，采用此技術(shù)后，掘進1條巷道費用可節(jié)省500×7000=350萬元。（2）提高了資源回收率，通過切頂卸壓，永久巷道附近煤柱得到回收，該巷道附近煤炭儲量16.5萬噸，按每噸500元計算，可創(chuàng)效500×16.5=8250萬元，創(chuàng)造極大的效益。

以上效益合計：350+8250=8600萬元

5.2 社會效益

（1）切頂卸壓護巷技術(shù)，是采礦界理論的一次重大突破和技術(shù)革新，破除了過去頂板控制的誤區(qū)。（2）適用范圍廣，在時間和空間上克服了銜接緊張，用人多，效率低，成本高的弊端。（3）在高地應(yīng)力復(fù)合頂板條件下經(jīng)切頂卸壓，使臨近巷道擺脫應(yīng)力集中區(qū)，降低巷道維修工作量，緩解礦井生產(chǎn)接續(xù)緊張，回收保護煤柱呆滯煤量。（4）增加煤炭資源回收，降低了護巷成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。（5）形成了一套完整的高地應(yīng)力頂板條件下切頂卸壓護巷技術(shù)，為峰峰礦區(qū)同類條件下該類工程的施工提供了參考。

6 項目的應(yīng)用與推廣

高地應(yīng)力復(fù)合頂板條件下切頂卸壓護巷開采技術(shù)首次在峰峰集團萬年礦進行試驗，經(jīng)切頂卸壓后，工作面回采期間初采來壓及周期來壓均沒有明顯跡象，與同地區(qū)其他工作面礦壓監(jiān)測相比，工作面周期來壓強度有所降低，并且保護了受采動影響巷道，實現(xiàn)無煤柱護巷開采，取得很大的成果。下一步將在其他礦井推廣使用切頂卸壓護巷技術(shù)，從而緩解礦井采掘接替緊張局面，回收保護煤柱煤炭資源。

收稿日期：2019-11-04

作者簡介：周俊林（1980—），男，河北磁縣人，本科，副總工程師、采煤工程師，研究方向：采煤工程。