杜兒坪礦72909工作面切頂卸壓護巷技術(shù)的應(yīng)用

李卯玄，張 卓

(西山煤電集團公司 杜兒坪礦，山西 太原 030022)

杜兒坪礦位于山西省太原市萬柏林區(qū)，于1956年正式建礦，現(xiàn)隸屬于山西焦煤西山煤電(集團)有限責(zé)任公司。井田南北寬約6 km，東西長約10 km，面積為69.113 5 km2，礦井主要可采煤層為2#、3#、6#、7#、8#、9#煤，可采煤層總厚度16.37 m，煤種有貧煤、瘦煤和貧瘦煤。目前主要開采2#、3#、8#煤層。截止2017年底，礦井剩余可采儲量4.68億t，可采期限87年。

1 工作面概況

72909工作面位于南九盤區(qū)，工作面設(shè)計停采線北距南九2#煤回風(fēng)巷49 m，切眼南鄰杜兒坪斷層保護煤柱265 m，東鄰72908機軌合一巷25 m，西鄰72909瓦斯治理巷25.5 m.

地面標(biāo)高1 535～1 705 m，工作面標(biāo)高948～1 073 m，地表中部有太寧公路、晉古公路和川道峪(季節(jié)性河流)及兩條由西向東架設(shè)的高壓線通過。蓋山厚度515～647 m，平均586 m. 72909工作面示意圖見圖1.

頂?shù)装鍘r性：基本頂為灰黑色粉砂巖，含有植物化石碎片，厚度3.93 m；直接頂為淺灰色粉砂巖，局部夾有0.1 m砂質(zhì)泥巖，具有水平層理，厚度1.94 m；直接底為黑灰色砂質(zhì)泥巖，含有植物化石碎片，厚度0.60 m；基本底為灰白色粗砂巖，以石英、長石為主，含少量暗色礦物及云母片，厚度4.67 m. 節(jié)理：頂板裂隙發(fā)育，主節(jié)理方向為北東向。

圖1 72909工作面示意圖

2 切頂卸壓護巷概況

72909瓦斯治理巷距離72909皮帶巷25.5 m，為有效減小該條巷道在72909工作面回采后的圍巖壓力，避免受72909工作面落山垮落、周期來壓、頂板牽引影響，降低72909瓦斯治理巷受圍巖壓力產(chǎn)生二次變形，在72909皮帶巷不采幫側(cè)進行切頂卸壓護巷施工，提高巷道的整體利用率。

2.1 地質(zhì)條件

72909瓦斯治理巷煤層厚度較穩(wěn)定，全厚1.70～3.60 m，平均3.08 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有一層不穩(wěn)定夾矸，厚度為0～1.70 m，平均0.05 m，巖性是黑灰色砂質(zhì)泥巖，含有少量植物化石碎片，隨著掘進向前延伸將逐漸變薄尖滅。設(shè)計巷道內(nèi)煤層傾角1°～13°，平均6°.

2.2 永久支護方式

頂板采用d20 mm×L2 000 mm螺紋鋼錨桿、d21.6 mm×L5 300 mm鋼絞線錨索配合3 800 mm(五眼)W鋼帶，鋪設(shè)d6 mm×2 400 mm×1 100 mm鋼筋網(wǎng)、錨桿配合150 mm×150 mm×10 mm拱形高強度托板、調(diào)心球墊和減磨墊圈進行支護，頂錨桿、錨索都打注在W鋼帶眼里。頂錨桿采用 “3-2-3”五花布置，第一排距幫350 mm，第二排距幫1 225 mm，間排距1 750 mm×1 000 mm. 錨索采用 “3-2-3”五花布置， 第一排距幫350 mm，第二排距幫1 225 mm，間排距1 750 mm×1 000 mm.永久支護方式示意圖見圖2.

圖2 永久支護方式示意圖

兩幫均采用2 000 mm×2 000 mm的菱形金屬網(wǎng)配合d20 mm×L2 000 mm螺紋鋼錨桿、300 mm×280 mm×3 mm的W鐵片、150 mm×150 mm×10 mm的托板進行支護。一排3根幫錨，最上面一根幫錨距頂300 mm，最下面一根幫錨距底板900 mm，幫錨間排距900 mm×1 000 mm，頂、幫包角搭接。最底下一排幫錨距底板超過1 000 mm時，必須在最底下一排幫錨與底板中間補打一排幫錨桿并掛網(wǎng)。

2.3 特殊支護方式

若頂板破碎、有淋頭水等，全錨支護無法滿足支護要求時，在全錨支護的基礎(chǔ)上，套工字鋼棚進行錨棚聯(lián)合支護,其中排距縮小為900 mm；架棚使用11#工字鋼，采用梁長4 m，凈口3.7 m，棚腿長度3.2 m，要求岔角0.5 m，盤五勾六，迎山有力，棚距0.9 m. 特殊支護方式示意圖見圖3.

圖3 特殊支護方式示意圖

3 頂板預(yù)裂切縫設(shè)計方案

采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，將特定規(guī)格的炸藥裝在兩個設(shè)定方向有聚能效應(yīng)的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設(shè)定方向上均勻受壓，而在設(shè)定向上集中受拉，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巖石按設(shè)定方向拉裂成型，實現(xiàn)被爆破體按設(shè)定方向張拉斷裂成型。

該爆破技術(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爆破技術(shù)，施工工藝簡單，應(yīng)用時只需要在預(yù)裂線上施工炮孔，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。爆轟產(chǎn)物將在兩個設(shè)定方向上形成聚能流，并產(chǎn)生集中張拉應(yīng)力，使預(yù)裂炮孔沿聚能方向貫穿，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，實現(xiàn)預(yù)裂的同時又保護了巷道頂板。

3.1 切縫孔布置方案

預(yù)裂切縫深度H縫臨界設(shè)計公式：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

式中：

ΔH1—頂板下沉量，m；

ΔH2—底鼓量，m；

K—碎脹系數(shù)，取1.3～1.5.

根據(jù)72909工作面頂板巖性，設(shè)計K為1.35，根據(jù)補打鉆孔資料顯示，煤厚變化不大，在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，取工作面最大采高為3 m時，設(shè)計切縫深度為8.5 m. 考慮到72909工作面頂板上覆巖層8.44～16.31 m為細(xì)粒砂巖，該層細(xì)粒砂巖均厚7.87 m，灰白色細(xì)砂巖，以石英長石為主，暗色礦物次之，顆粒較細(xì)，底部有0.10 m灰黑砂質(zhì)泥巖，若切頂后卸壓效果不明顯，則應(yīng)考慮將均厚7.87 m的細(xì)粒砂巖進行預(yù)裂爆破。

切縫孔布置在非采巷幫與頂板夾角處，鉛垂線夾角偏向煤柱側(cè)最大不超過10°，切縫孔間距為500 mm. 切縫孔布置方案見圖4.

圖4 切縫孔布置方案圖

3.2 預(yù)裂爆破方案

根據(jù)方案設(shè)計進行單孔試驗，確定合理的裝藥量和封泥長度，再進行間隔爆破，觀察兩相鄰裝藥孔間空孔內(nèi)裂紋情況。如兩相鄰裝藥孔間空孔裂紋未達到裂縫率要求標(biāo)準(zhǔn)，再進行一次連續(xù)爆破試驗，最終確定一次爆破孔數(shù)以及爆破方式等。炮孔參數(shù)見圖5.

圖5 炮孔參數(shù)方案圖

雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，管長1 500 mm.聚能爆破采用三級煤礦乳化炸藥，擬采用炸藥規(guī)格為d35 mm×200 mm/卷，爆破孔口采用炮泥封孔。裝藥量方案見表1.

表1 裝藥量方案表

依據(jù)爆破效果，最終采用四孔連爆或五孔連爆的爆破方式，即四(五)孔裝藥，間隔一孔，裝藥量3+2+2+1. 四孔連爆爆破方式示意圖見圖6，五孔連爆爆破方式示意圖見圖7，炮孔裝藥量示意圖見圖8.

4 72909瓦斯治理巷礦壓觀測

72909工作面隨著工作面的推進，巷道內(nèi)每隔50 m設(shè)立一個測點，測點包括頂板離層儀、巷道表面位移和錨桿(索)受力監(jiān)測。

根據(jù)現(xiàn)場各監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，當(dāng)測點滯后工作面10～15 m時，巷道高度開始降低，但是變化幅度較?。划?dāng)測點滯后工作面100 m范圍內(nèi)時，巷道高度變化趨勢明顯增大，即頂?shù)装逡平吭龇鶆×?；?dāng)測點滯后工作面200 m以外時，巷道高度趨于穩(wěn)定，此時頂?shù)装逡平繋缀醪辉僭黾印?shù)據(jù)顯示，1#—6#測點最大頂?shù)装逡平繛?.1～0.3 m，測點監(jiān)測變化數(shù)據(jù)見表2.

圖6 四孔連爆爆破方式示意圖

圖7 五孔連爆爆破方式示意圖

圖8 炮孔裝藥量示意圖

通過在72909皮帶巷進行切頂卸壓護巷施工，和對72909瓦斯治理巷內(nèi)各監(jiān)測點的觀測。72909瓦斯治理巷內(nèi)在預(yù)裂爆破施工至50～200 m，巷道有0.1～0.3 m的頂板下沉、錨桿(索)壓力增大現(xiàn)象，整體巷道變形量較小。

表2 測點監(jiān)測變化數(shù)據(jù)表

5 結(jié) 語

72909工作面切頂卸壓護巷，通過卸壓72909皮帶巷保護72909瓦斯治理巷，延長了巷道服務(wù)年限，減少了受采動影響而造成鄰近巷道圍巖變形增大的現(xiàn)象，降低了巷道維護治理費用。

1) 及時掌握了爆破效果。礦井通過鉆孔窺視儀，在首次爆破的20個孔中發(fā)現(xiàn)未達到爆破效果；隨后改變裝藥參數(shù)及方式后，窺視結(jié)果接近理想爆破狀態(tài)。

2) 調(diào)整爆破指標(biāo)。經(jīng)過對鉆孔的窺視，發(fā)現(xiàn)首次爆破的20個孔預(yù)裂切縫不明顯、爆破位置偏出預(yù)定位置。隨后，將原有“隔孔爆破”變更為“四孔連爆”方式，并將預(yù)期的“2+2+2+1”裝藥方式更改為“3+2+2+1”；同時實施“4+1”鉆孔模式，即4孔爆破、1孔觀測，爆破取得了預(yù)期效果。