薄煤層堅(jiān)硬頂板工作面切頂卸壓留巷技術(shù)研究

高金強(qiáng)

(汾西礦業(yè)南關(guān)煤業(yè)公司，山西 靈石 031304)

為了降低瓦斯治理成本、掘進(jìn)速度慢以及煤炭資源浪費(fèi)等問題，沿空留巷技術(shù)在礦井應(yīng)用日益廣泛，切頂卸壓留巷技術(shù)是典型的無煤柱留巷方式[1]。沿空留巷成功與否關(guān)鍵在于巷旁充填體能夠支撐巷道頂板，降低巷道圍巖變形[2～3]。近些年來，眾多的研究學(xué)者對沿空留巷技術(shù)展開研究，提出采用壓裂手段弱化頂板，從而降低沿空留巷巷道圍巖應(yīng)力，其中預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用中應(yīng)用效果顯著[4～6]。本文以山西某礦43101運(yùn)輸巷工程地質(zhì)條件為工程背景，設(shè)計(jì)切頂卸壓留巷技術(shù)方案，并現(xiàn)場應(yīng)用，研究成果可為其他礦井采取切頂卸壓留巷提供一定的借鑒。

1 工程概況

43101工作面開采4號煤層，煤層厚度在1.1～1.6m，屬于薄煤層，煤層埋深深度平均195m，傾角平均3°。由于礦井生產(chǎn)任務(wù)繁重，同時為了降低煤炭損失量，礦井將43101運(yùn)輸巷采用切頂卸壓留巷技術(shù)保留下來，作為下一個回采工作面的回風(fēng)巷。43101運(yùn)輸巷斷面5.7m×3.0m，設(shè)計(jì)長度850m，沿著4號煤層底板破頂掘進(jìn)。4號煤層頂板為砂巖，巖性堅(jiān)硬。

2 切頂卸壓方案

2.1 切頂卸壓爆破孔參數(shù)

隨著切頂卸壓技術(shù)在礦井應(yīng)用的不斷推進(jìn)，施工技術(shù)方案以及布置參數(shù)也在不斷完善，對切頂卸壓爆破孔影響較為明顯的參數(shù)有兩個方面：一為爆破孔參數(shù)，二為爆破參數(shù)[7]。爆破孔參數(shù)包括有爆破孔間距、角度以及深度等；爆破參數(shù)包括有裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)以及爆破方式等。對于設(shè)計(jì)的爆破孔參數(shù)，施工的爆破孔傾角可降低巖層間軟弱界面摩擦力從而影響巖石垮垮落情況?？紤]到43101運(yùn)輸巷實(shí)際地質(zhì)條件，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，設(shè)計(jì)爆破孔施工角度為上仰70°；施工的爆破孔深度直接影響切頂效果，根據(jù)4號煤層頂板巖性及頂板巖性，確定的切頂卸壓高度為10.75m，施工的爆破孔深度為11.5m，封孔長度為為爆破孔深度的25～30%，同時采用充填體對爆破孔進(jìn)行保護(hù)。對于爆破參數(shù)則采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥密度控制在0.45kg/m，具體裝藥結(jié)構(gòu)見圖1。爆破孔間距對切頂效果有顯著影響，過大則會造成切頂效果差，巖層不容易垮落；過小則會導(dǎo)致影響頂板巖層整體穩(wěn)定性，不利于巷道圍巖控制；因此需要通過現(xiàn)場試驗(yàn)優(yōu)選出最佳爆破孔間距。

圖1 切頂鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)(單位：m)

2.2 爆破孔間距確定

2.2.1 爆破孔布置方案

合理的切頂卸壓爆破孔間距對切頂卸壓效果有較大影響，綜合分析43101運(yùn)輸巷地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)3種切頂卸壓爆破孔間距參數(shù)，從而優(yōu)選出最優(yōu)爆破孔間距。

為了優(yōu)選出最佳爆破孔間距，在試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)計(jì)3種爆破孔布置方案，分別對應(yīng)的爆破孔間距L為0.07m、0.6m、0.5m。在爆破方案中均采用1.5m聚能管，單個鉆孔布置5根，裝藥量為3.375kg，共計(jì)裝入17根乳化炸藥，封孔采用炮泥結(jié)合水泥袋方式，封孔長度在4.0m。每一種爆破方案均施工5個爆破孔，具體的布置方案見圖1。爆破孔施工參數(shù)見圖3。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)孔口巖層破碎情況

采用導(dǎo)向孔及鄰近孔冒煙情況來判定爆破孔爆破后各孔間是否出現(xiàn)聯(lián)通，爆破后各孔若均有冒煙且導(dǎo)向孔冒煙量較大、持續(xù)時間長。從現(xiàn)場觀測來看，除少數(shù)爆破孔封孔炮泥被爆破沖擊波沖出來以外，其余的爆破孔孔口位置無明顯的縫隙以及粉碎顯現(xiàn)，爆破后未對爆破孔開口位置圍巖造成顯著影響。因此，爆破孔間距0.5～0.7m均不會在爆破孔孔口位置形成拋擲型漏斗，可以滿足切頂卸壓需要。

圖2 布置方案

圖3 爆破孔施工參數(shù)(單位：m)

(2)爆破孔裂隙擴(kuò)展情況

采用鉆孔窺視儀對爆破孔爆破后形成的裂縫發(fā)育及擴(kuò)張情況進(jìn)行試驗(yàn)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從窺視結(jié)果看出，爆破孔間距在0.5m時，在距離孔底0.6m～7.6m范圍內(nèi)有眾多的裂隙(縱向)且對稱分布，巖體的整體性、穩(wěn)定性較差；爆破孔間距為0.6m時，在距離孔底0～7.5m范圍內(nèi)為破碎區(qū)，在此范圍內(nèi)發(fā)育有大量的節(jié)理、裂隙，部分縱向發(fā)育的裂隙呈現(xiàn)對稱分布；爆破孔間距在0.7m時，爆破孔完整性較強(qiáng)，僅在距離孔底6.2m位置處發(fā)育有兩條縱向?qū)ΨQ的裂隙。

從裂隙擴(kuò)展情況分析，爆破孔間距在0.5m、0.6m時裂隙擴(kuò)展較好，在0.7m時裂隙擴(kuò)展性較差，不能滿足現(xiàn)場切頂卸壓需要。

(3)導(dǎo)向孔裂隙擴(kuò)展情況

對3種不同方案下的導(dǎo)向孔裂隙擴(kuò)展情況進(jìn)行窺視，由于部分導(dǎo)向孔出現(xiàn)塌孔，因此該類型導(dǎo)向孔均探測至塌孔位置。從探測結(jié)果得知，爆破孔間距在0.5m、0.6m、0.7m時縱向裂隙均有擴(kuò)展，其中部分縱向裂隙在近似同一水平面上擴(kuò)展，導(dǎo)向孔內(nèi)發(fā)育的裂隙寬度、長度均較小，主要原因可能是由于爆破孔封孔質(zhì)量差，造成部分能量擴(kuò)散，無法形成較大裂隙。

相對于0.7m爆破孔間距、0.6m爆破孔間距時導(dǎo)向孔內(nèi)的裂隙數(shù)量、寬度及長度更多，爆破效果更為明顯；爆破孔間距在05m時與爆破孔間距為0.6m時導(dǎo)向孔內(nèi)裂隙擴(kuò)展情況類似。

爆破孔間距0.7m、0.6m、0.5m時導(dǎo)向孔內(nèi)裂隙均可以導(dǎo)通，同時不會有拋擲型漏斗產(chǎn)生，可以保證切頂卸壓爆破的安全，相比較于間距在0.7m時，0.6m爆破孔時的縱向裂隙更為發(fā)育，切頂效果更為明顯。

綜合上述分析，最終確定爆破鉆孔間距為0.6m。

3 應(yīng)用效果

在43101工作面運(yùn)輸巷采取切頂卸壓留巷技術(shù)，降低頂板垮落對巷道圍巖變形影響。切頂卸壓超前回采工作面掘進(jìn)20m進(jìn)行，巷道支護(hù)采用砌筑混凝土結(jié)合錨網(wǎng)噴支護(hù)方式。采用切頂卸壓后，巷道頂板最大下沉量為220mm，巷幫以及底板變形量均較小，有效降低了頂板巖層垮落對留巷影響，使得巷道圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)

4 總結(jié)

(1)在回采工作面前方運(yùn)輸巷采用切頂卸壓技術(shù)對堅(jiān)硬頂板巖層進(jìn)行預(yù)裂卸壓，采面開采后頂板巖層沿著切頂線垮落，在留巷頂板上形成段的懸臂結(jié)構(gòu)，從而使得留巷圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)，為沿空留巷創(chuàng)造良好應(yīng)力環(huán)境。

(2)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，確定43101運(yùn)輸巷切頂卸爆破鉆孔參數(shù)為：傾角70°、間距0.6m、孔深11.5m、封孔4.0m。爆破參數(shù)為：采用連續(xù)裝藥方式、裝藥密度在0.45kg/m，串聯(lián)起爆方式。

(3)設(shè)計(jì)的切頂卸壓爆破參數(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用取得顯著效果，留巷后頂板最大下沉量僅為220mm，巷道圍巖變形量整體較小，可以滿足生產(chǎn)需要。