切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)研究

張 超

（潞安環(huán)能股份公司常村煤礦，山西 長治046102）

煤炭是我國的主要經(jīng)濟(jì)能源，因此，高效的采煤一直是最提倡的方法，而在采煤過程中，煤礦堅(jiān)硬頂板一直是工作面推進(jìn)以及設(shè)備運(yùn)行的阻礙，針對(duì)這一問題，陳勇、郝勝鵬、陳延濤等在理論知識(shí)的支持上，利用LS-DYNA數(shù)值模擬軟件對(duì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，同時(shí)對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行了選擇，結(jié)果表明，切頂卸壓技是處理厚層堅(jiān)硬頂板問題的有效途徑[1]；劉小強(qiáng)、張國鋒在小河嘴礦工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行了切頂卸壓技術(shù)，成功地降低了巷道礦壓帶來的影響，為巷道的維護(hù)、通風(fēng)以及支護(hù)都提供了便利[2]；周登輝、伍水平采用理論和現(xiàn)場結(jié)合的方法，以沿空留巷為研究對(duì)象，通過建立數(shù)學(xué)模型發(fā)現(xiàn)基本頂?shù)臄嗔盐恢貌煌瑢?duì)于巷道的支護(hù)有明顯得影響，通過計(jì)算分析成功地解決了因斷裂位置不同對(duì)沿空留巷的影響[3]。蒲文龍、張國華、畢業(yè)武詳細(xì)地分析了支承壓力的分布對(duì)于大采高下煤層圍巖控制的影響，已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型在實(shí)際的工程中運(yùn)行，取得了良好的結(jié)果[4]。

在超前支承壓力理論的支持下，本文對(duì)切頂卸壓爆破理論進(jìn)行了研究，同時(shí)將理論知識(shí)運(yùn)用在實(shí)際工程中。理論和實(shí)踐證明，合理的炮孔布置進(jìn)行切頂卸壓技術(shù)的實(shí)施可以改善巷道的變形量，對(duì)于工作面的推進(jìn)以及設(shè)備的維護(hù)都提供了便利的條件。

1 切頂卸壓護(hù)巷理論研究

切頂卸壓技術(shù)是煤礦針對(duì)堅(jiān)硬頂板通過爆破等人工干預(yù)的方法破碎堅(jiān)硬頂板從而釋放因頂板壓力過大造成的巷道變形等問題的技術(shù)。國內(nèi)許多煤礦在采煤過程中都會(huì)遇到堅(jiān)硬頂板的問題，堅(jiān)硬頂板因?yàn)橛捕却?，埋深厚，在自身質(zhì)量應(yīng)力以及上覆巖層的作用下，對(duì)煤壁以及巷道都會(huì)施加很大的作用力，如果支護(hù)強(qiáng)度及剛度不夠，巷道將會(huì)發(fā)生很大的變形。目前，單靠液壓支架支撐堅(jiān)硬頂板巷道很難達(dá)到預(yù)期效果，因此，切頂卸壓技術(shù)的實(shí)施就顯得非常必要了。在切頂卸壓技術(shù)的實(shí)施中，爆破是必不可少的步驟。

目前，礦上大多采用炸藥進(jìn)行堅(jiān)硬頂板的處理，在堅(jiān)硬頂板布置好炮孔后，通過導(dǎo)火索引爆炮孔內(nèi)的炸藥，炸藥在爆炸瞬間，在極小空間的壓縮下，壓力瞬間升高至5～8萬倍的大氣壓力，溫度最高可以達(dá)到3 000℃。在高強(qiáng)度的應(yīng)力以及超高溫度的共同作用下，靠近炮孔的堅(jiān)硬巖石由固態(tài)瞬間變?yōu)槠扑闋顟B(tài)以及液體狀態(tài)，從而在炮孔周圍形成一定區(qū)域的擴(kuò)腔區(qū)。因?yàn)檎ㄋ幈ㄐ纬傻木薮鬀_擊波會(huì)在巖層的阻礙作用下會(huì)出現(xiàn)逐漸衰減的趨勢(shì)，在擴(kuò)腔區(qū)外側(cè)因?yàn)闆_擊波的作用出現(xiàn)破碎區(qū)，此區(qū)域內(nèi)的巖石呈現(xiàn)一種破碎的狀態(tài)，擴(kuò)腔區(qū)的巖石吸收了大量的能量，因此沖擊波會(huì)出現(xiàn)急速衰減的趨勢(shì)，所以擴(kuò)腔區(qū)外的巖石會(huì)出現(xiàn)破碎狀態(tài)。在破碎區(qū)外側(cè)，應(yīng)力沖擊波繼續(xù)擴(kuò)散，在沖擊波的作用下產(chǎn)生了大面積的徑向裂縫，徑向裂縫擴(kuò)展發(fā)育的速度非?？?。在裂縫產(chǎn)生后，炸藥爆炸產(chǎn)生的巨大作用力仍然會(huì)擴(kuò)散，形成頂端尖銳的擴(kuò)張裂隙，成為裂隙區(qū)域，裂隙區(qū)域遠(yuǎn)大于壓碎區(qū)。

煤巖在炸藥爆炸的整個(gè)過程中，其破壞形式有很多，在擴(kuò)腔區(qū)和壓碎區(qū)內(nèi)的煤巖受到的力遠(yuǎn)大于本身的最大抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。在裂隙區(qū)域，其受到剪切破壞、拉應(yīng)力等復(fù)雜的破壞形式。炸藥爆炸后的彈性勢(shì)能會(huì)進(jìn)行迅速的擴(kuò)張，而隨著能量路徑的擴(kuò)散，其會(huì)隨著中心區(qū)域徑向的擴(kuò)散，從而出現(xiàn)徑向裂隙，這些裂縫會(huì)不斷擴(kuò)張發(fā)育，偶爾會(huì)出現(xiàn)橫向的裂紋，橫縱裂紋也會(huì)出現(xiàn)貫通現(xiàn)象。在徑向方向會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，應(yīng)力與徑向面會(huì)形成45°的夾角，因?yàn)楸óa(chǎn)生的拉應(yīng)力數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖石本身的抗拉應(yīng)力，巖石會(huì)出現(xiàn)剪切破壞，破壞簡圖如圖1所示。

在實(shí)際工程中，因?yàn)榕谘鄣拇罅坎贾茫ㄋ幵谝髸?huì)出現(xiàn)巨大的沖擊波，炮孔之間的裂隙也會(huì)相互貫通，巖石的破壞程度將會(huì)得到更好的發(fā)育，對(duì)于堅(jiān)硬頂板的處理有很好的效果。

圖1 炸藥爆破后炮孔區(qū)域分布圖

2 切頂卸壓方法的實(shí)施

在對(duì)爆破后巖石破壞準(zhǔn)則的研究基礎(chǔ)上，對(duì)切頂卸壓技術(shù)在實(shí)際施工中的炮孔布置進(jìn)行深入的研究，研究以東曲礦為背景，保炮孔布置的平面示意圖與剖面示意圖如圖2、圖3所示。炮孔打在工作面上方的巷道內(nèi)，炮眼長度為21.6 m，共布置11個(gè)炮孔，炮孔間距為6 m，采用平行布孔方式布置，具體參數(shù)如表1所示。

圖2 切頂卸壓技術(shù)炮孔布置平面示意圖

圖3 切頂卸壓技術(shù)炮孔 布置剖面示意圖

表1炮孔布置的具體參數(shù)

在對(duì)炮孔方案的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，具體的實(shí)施步驟如下：

1）按照以上的方案，施工人員需要在工作面設(shè)備都停止運(yùn)行的情況下進(jìn)行鉆孔施工，檢查安全后，才可以裝藥。

2）在裝藥的過程中需要對(duì)巷道以及炮孔周圍進(jìn)行瓦斯監(jiān)測，瓦斯的存在會(huì)提前引爆炸藥，將會(huì)對(duì)工作人員以及工作面產(chǎn)生破壞傷害，尤其是高瓦斯礦井，必須進(jìn)行瓦斯監(jiān)測，必要情況下還需進(jìn)行通風(fēng)等措施降低瓦斯含量。

3）確保瓦斯不超標(biāo)的情況下，施工人員應(yīng)該在搭建好的工作臺(tái)進(jìn)行人工干預(yù)頂板處理，因?yàn)樵阢@孔過程中，堅(jiān)硬頂板會(huì)出現(xiàn)松散的容易掉落的巖層，施工人員應(yīng)該進(jìn)行人工干預(yù)以免巖層在后期爆破中出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象對(duì)人員造成傷害。

4）裝藥過程中應(yīng)該分組同時(shí)裝藥，一般單個(gè)炮孔同時(shí)裝藥，裝藥完成后依次進(jìn)行封孔操作。

5）本次封孔長度為8.4 m，在封孔的過程中應(yīng)該確保導(dǎo)火索的完整性，避免發(fā)生斷裂以及相互纏繞現(xiàn)象。

6）所有準(zhǔn)備工作就緒后，進(jìn)行引爆工作，因?yàn)榕诳渍w是串聯(lián)的方式連接，局部炮孔又是以并聯(lián)的方式連接，每次引爆三個(gè)炮孔，進(jìn)行分組引爆，保證安全的情況下，最大化的實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板的破碎目的。

在爆破處理后，經(jīng)過觀測以及數(shù)據(jù)采集分析我們得到了以下數(shù)據(jù)結(jié)果，由圖4可以看出，爆破處理后，巷道兩幫以及頂板的變形量都會(huì)隨著距離工作面的增加而減小，成功了減緩了超前支承壓力造成的應(yīng)力集中問題。巷道的變形量在距離工作面最近的區(qū)域依舊變形最大，但是隨著力工作面距離的增加，巷道變形量迅速降低，距離工作面90 m后，巷道的變形量基本為0?？梢钥闯觯许斝秹杭夹g(shù)確實(shí)能夠起到卸壓的效果，堅(jiān)硬頂板在破碎垮落后，因?yàn)樯细矌r層的完整性遭到破壞，給工作面以及液壓支架的阻力也會(huì)降低，由此可知，此方法可以在煤礦處理堅(jiān)硬頂板的問題上大型推廣運(yùn)用。

圖4 爆破處理后的巷道變形量

3 結(jié)論

通過對(duì)切頂卸壓技術(shù)實(shí)施過程中爆破原理的分析，我們?cè)诠ぷ髅孢M(jìn)行了科學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：

1）切頂卸壓技術(shù)在進(jìn)行爆破的過程中，爆破會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)腔區(qū)、破碎區(qū)以及裂隙區(qū)，區(qū)域內(nèi)的巖石在勢(shì)能以及熱能的綜合作用下達(dá)到破壞狀態(tài)，強(qiáng)度因此下降。

2）進(jìn)行爆破過程中，炮孔的布置以及深度應(yīng)該合理安排，炮孔應(yīng)實(shí)行局部并聯(lián)，整體串聯(lián)的方式進(jìn)行連線，進(jìn)行分組引爆進(jìn)行切頂處理。

3）在對(duì)工作面實(shí)施切頂卸壓技術(shù)處理后發(fā)現(xiàn)，處理后的巷道的變形量明顯得到改善，巷道兩幫以及頂板的位移量都出現(xiàn)大幅度降低趨勢(shì)，成功的解決了堅(jiān)硬頂板為巷道穩(wěn)定性帶來的難題。