綜放工作面超前定向預裂切頂卸壓技術研究

張 亮

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

傳統(tǒng)的采煤工藝中，相鄰兩個綜采工作面之間通過留設區(qū)段煤柱進行護巷，煤柱寬度在20～50 m不等，該方式使大量的煤柱留在了采空區(qū)，造成了大量的煤炭資源浪費[1]。同時，隨著采深的增加、鄰近工作面回采的影響，區(qū)段煤柱內(nèi)應力集中程度高，巷道變形大、沖擊地壓等地質(zhì)災害日益突出。針對這一問題，國內(nèi)外學者提出了小煤柱[2-3]、無煤柱開采技術[4-5]，有效解決了區(qū)段煤柱留設造成的資源浪費問題，但巷道受動壓影響變形的問題依然比較嚴重。本文以漳村煤礦2601工作面為工程背景，對綜放工作面定向預裂切頂技術進行研究。

1 超前定向預裂切頂圍巖控制基本原理

綜采工作面定向預裂切頂是在上一區(qū)段工作面的下順槽頂板，沿巷道走向全長預裂一條縫，待上一區(qū)段工作面回采后，巷道頂板在采動應力的作用下沿切縫自動垮落(圖1)，切斷更大范圍頂板的應力傳遞，大大降低小區(qū)段煤柱的應力集中，從而保證窄煤柱沿空巷道處于礦山壓力的卸壓區(qū)，進而有效控制巷道的大變形問題，保證正常生產(chǎn)。

圖1 工作面定向預裂切頂示意

定向預裂切頂?shù)年P鍵在于在設計的方向上產(chǎn)生裂縫，本文采用雙向聚能爆破技術來實現(xiàn)。聚能裝置是人為開槽的PVC管，聚能裝置插入炮孔中，爆破過程中爆轟波將沿PVC管的弱面聚能傳播，從而形成定向裂縫。

2 超前定向預裂切頂關鍵參數(shù)

2.1 切頂高度

切頂高度是切頂卸壓的關鍵之一，必須保證爆破及頂板垮落后充滿采空區(qū)，上覆巖層在垮落矸石有效支撐作用下，巖層移動變緩，最后逐漸趨于穩(wěn)定。切頂高度計算公式可由(1)式確定：

(1)

式中：Hm為切頂高度，m；hi為頂板分層厚度，m；M為采高，m；Kp為垮落矸石碎脹系數(shù)。

2.2 切頂角度

切頂角度太小不利于鉆孔施工，太大會造成懸頂距離過長，切頂效果較差。采用3DEC數(shù)值模擬軟件，以漳村煤礦2601綜采工作面地質(zhì)條件為基礎(埋深500 m，四周均施加水平位移約束，底部施加固定約束，上部施加11.25 MPa的均布載荷模擬上覆巖層，側(cè)壓系數(shù)λ=1.1)，分別對切頂角度為5°、10°、15°條件下上覆巖層的運移規(guī)律和巷道圍巖變形特征進行了模擬，如圖2所示。

整體來看，預裂爆破切頂角度對上覆巖層切頂兩側(cè)的垮落變形影響較大，但均起到了切斷窄煤柱上方巖層與采空區(qū)巖層的連接。切頂角度為5°時，采空區(qū)上覆巖層垮落后與窄煤柱上方巖層由固結(jié)變?yōu)殂q接結(jié)構，巖層間的相互摩擦力和水平鉸接力起主導作用。由于水平鉸接力的存在，使得采空側(cè)巖層與窄煤柱上方形成三角穩(wěn)定結(jié)構，壓力得不到有效釋放。切頂角度為10°、15°時，更加有利于采空側(cè)頂板的切落，在窄煤柱上方形成短懸臂結(jié)構。切頂兩側(cè)巖層下沉位移量相差很大，呈現(xiàn)出斷崖式增大，表明采空側(cè)被切落的老頂與窄煤柱上方老頂間無摩擦鉸接力的作用，直接斷裂接底。

2.3 爆破參數(shù)

1) 炮孔間距。切頂卸壓炮孔間距是由單孔爆破預裂裂縫的擴展長度所決定的，相鄰兩個炮孔所預裂的裂縫要實現(xiàn)貫通，因此炮孔間距可由式(2)求得：

L=2×(Rp+Rc+rb)

(2)

式中：Rc為壓碎區(qū)，m；Rp為裂隙區(qū)，m；rb為鉆孔半徑，m。

2) 裝藥量。裝藥量與巖石性質(zhì)和炸藥特征有直接關系，切頂卸壓炮孔采用連續(xù)不耦合裝藥，裝藥量可由式(3)求得：

(3)

式中：ρ0為炸藥密度，kg/m3；db為炮孔直徑，m；De為徑向不耦合系數(shù)。

3 超前定向預裂切頂卸壓工程應用

3.1 工程背景

漳村煤礦目前回采2601工作面，為充分回收煤炭資源，鄰近工作面2603與2601之間僅留設10 m的區(qū)段煤柱。為降低2603運巷的巷道變形，提出在2601工作面風巷實施超前切頂卸壓技術，切斷2601風巷頂板與2601工作面采場直接頂、基本頂?shù)穆?lián)系，在周期來壓作用下采場頂板沿預裂面切落，減少殘余頂板的懸露長度，將巷道圍巖應力轉(zhuǎn)移到深部，改善2603運巷圍巖應力環(huán)境，有效控制巷道變形。

3.2 施工參數(shù)

根據(jù)2601工作面綜合柱狀圖分析，取垮落矸石碎脹系數(shù)為1.3，采高6 m，代入式(1)計算斷頂高度Hm=20 m，同時根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，設計炮孔角度向2601工作面方向偏轉(zhuǎn)10°。為確保預裂爆破充分發(fā)揮作用，炮眼在爆破之后能夠按照要求切頂，爆破鉆孔距離煤柱1 m，鉆孔孔徑為50 mm，鉆孔間距為1.5 m，如圖3所示。

工作面炮孔鉆機采用ZLJ-600煤礦用坑道鉆機2臺，并配備D48 mm鉆頭和D42 mm鉆桿。切頂爆破聚能裝置的炸藥管外徑為40 mm，壁厚2～3 mm，每段2 m，180°對穿打孔，孔徑為4 mm，間距8 mm，炸藥采用滿足煤礦瓦斯等級的礦用乳化液炸藥，藥卷直徑35 mm，如圖4所示。

圖3 爆破鉆孔布置

圖4 聚能管結(jié)構示意

3.3 應用效果

巷道的變形量是巷道圍巖應力環(huán)境的直觀體現(xiàn)，通過在2603運巷50 m、100 m、200 m布設表面位移觀測點，連續(xù)60多天對巷道變形量進行觀測，觀測結(jié)果如圖5。

由圖5可知，巷道在前30 d內(nèi)變形量較大，在30 d過后就逐漸趨于穩(wěn)定，變形量在200～300 mm之間，整條巷道的變形得到有效控制。與25采區(qū)同類巷道相比，巷道未出現(xiàn)幫鼓、底鼓、斷錨桿等現(xiàn)象，證明2601風巷超前預裂切頂技術很好地將采場上部應力轉(zhuǎn)移到了2603工作面的深部，保證了2603運巷的巷道成形，應用效果良好。

4 結(jié) 語

1) 綜采工作面定向預裂切頂?shù)闹饕饔檬乔袛嗖蓤錾喜看蠓秶敯宓膽鬟f，將應力往工作面深部轉(zhuǎn)移，大大降低小區(qū)段煤柱的應力集中，有效控制回采巷道的大變形。

2) 綜采工作面定向預裂切頂?shù)年P鍵技術參數(shù)包括切頂高度、切頂角度、炮孔間距、裝藥量等，這些參數(shù)受具體的地質(zhì)條件影響。

3) 漳村煤礦2601風巷實施的定向預裂切頂對2603運巷的巷道變形有很好的控制作用，變形量控制在了200～300 mm，應用效果良好。