金辛達(dá)煤業(yè)11103工作面切頂卸壓技術(shù)研究與應(yīng)用

劉林升

(晉能集團(tuán) 金辛達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000)

1 工程概況

金辛達(dá)礦11103工作面目前正在向前回采，北部為11105工作面(已完成掘進(jìn))，南部為11102工作面采空區(qū)，東部是井田邊界(和晉牛煤業(yè)相毗鄰)，西部是北輔運(yùn)大巷。 工作面開采9+11號煤層，煤層均厚6.16 m，其上方直接頂為K2石灰?guī)r，平均厚度10.24 m，巖層致密堅硬。11103工作面與11105工作面的煤柱寬度為30 m，在11103工作面回采期間，11103工作面膠運(yùn)、輔運(yùn)巷及11105輔運(yùn)巷在采動影響下，巷道圍巖出現(xiàn)較大程度的變形，特別是幫鼓、底鼓現(xiàn)象非常明顯，11103工作面膠運(yùn)巷和輔運(yùn)巷底板最大鼓起量達(dá)到900 mm，兩幫最大移近量達(dá)到1 200 mm，11105工作面輔運(yùn)巷圍巖最大變形量達(dá)到400 mm。

通過分析11103工作面的地質(zhì)條件及賦存特征，得出“圍巖應(yīng)力集中”是11103工作面膠運(yùn)、輔運(yùn)巷及11105輔運(yùn)巷圍巖變形的主要影響因素之一，為改善圍巖的應(yīng)力環(huán)境，這時需要采取“卸壓”措施，從而達(dá)到阻止圍巖發(fā)生大幅變形的目的。故決定在11103工作面膠運(yùn)、輔運(yùn)巷進(jìn)行切頂卸壓。

2 深孔爆破切頂卸壓原理

2.1 切頂卸壓原理

隨著工作面的回采推進(jìn)，工作面上方的頂板巖層會逐漸發(fā)生破斷，進(jìn)而導(dǎo)致巷道應(yīng)力的重新分布，在采用區(qū)段煤柱護(hù)巷的回采工作面，頂板巖層的斷裂會導(dǎo)致煤柱出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中程度及位置會隨著斷裂線位置的變形而變化，當(dāng)工作面頂板上覆巖層的斷裂發(fā)生在煤柱上方或鄰近巷道上方時，此時煤柱便為巖梁一端的承載基礎(chǔ)，進(jìn)而致使煤柱承載較大的載荷，煤柱內(nèi)部塑性區(qū)的發(fā)育范圍較大，煤柱便會表現(xiàn)出變形量大的特征，且易致使鄰近巷道出現(xiàn)較大的破壞變形[1-2]；若斷裂線位于距離煤柱較遠(yuǎn)的采空區(qū)上方，此時煤柱上方頂板形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁受力完全作用在煤柱上，煤柱內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱發(fā)育的塑性區(qū)范圍同樣較大，不利于鄰近巷道的穩(wěn)定，如圖1(a)所示；若斷裂線出現(xiàn)在靠近煤柱的位置，則本工作面回采過后上覆巖層傳遞給煤柱和鄰近巷道的壓力較小，有利于煤柱和鄰近巷道的穩(wěn)定，如圖1(b)所示。

圖1 頂板斷裂位置示意

因此，為了減小應(yīng)力集中程度，可在工作面正常向前回采時，采用爆破的方式在巷道上方垂直走向?qū)㈨敯迩袛?，降低巷道?nèi)的應(yīng)力集中，減小塑性破壞區(qū)范圍，降低鄰近巷道的變形程度，如圖2所示。

圖2 工作面?zhèn)认蚯许斊拭婕捌矫?m)

2.2 聚能定向深孔爆破預(yù)裂

傳統(tǒng)的普通爆破不能勝任工作面?zhèn)认蚯许敼ぷ鳎驗閭鹘y(tǒng)爆破裂隙像四周擴(kuò)展，且擴(kuò)展程度未知，很可能將巷道上方頂板隨機(jī)炸斷，造成回采巷道支護(hù)失效，極易造成傷人事故。

聚能定向爆破是在炸藥被筒上留設(shè)有“V”字形聚能槽，當(dāng)炸藥起爆后，產(chǎn)生的高溫高壓的爆轟產(chǎn)物會優(yōu)先沿著聚能槽的方向釋放，即大部分能量朝著給定方向，可按照設(shè)定方向?qū)r石拉裂成縫。聚能爆破所需的炸藥被筒如圖3所示。

圖3 聚能爆破模擬效果及炸藥被筒示意

根據(jù)聚能爆破的上述特征，可采用該方法對頂板沿巷道走向切斷，為了控制裂隙擴(kuò)展的范圍，需根據(jù)巖石抗拉強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)，確定聚能槽的開口大小、V字形開口角度、裝藥不耦合系數(shù)，這些參數(shù)直接影響爆破效果[4-5]。

3 煤柱側(cè)向切頂卸壓方案

3.1 方案設(shè)計

卸壓采用深孔預(yù)裂爆破的方法進(jìn)行。由于深孔爆破的封泥長度較長，爆破后孔口紋絲不動，不會對巷道造成任何損壞。為了實(shí)現(xiàn)對煤柱的卸壓，設(shè)計切斷煤層上方13 m范圍內(nèi)的頂板。故確定11103膠運(yùn)巷頂板炮孔孔深為14 m，孔徑為60 mm，鉆孔垂直頂板鉆進(jìn)，炮孔間距2 m；11103輔運(yùn)巷、11105輔運(yùn)巷頂板炮孔孔深定為15 m，孔徑為60 mm，垂直巷道走向仰角75°鉆進(jìn)，炮孔間距2 m，具體炮孔布置示意如圖4所示。

在鉆孔時盡量將孔內(nèi)煤渣排除，要求鉆桿鉆到規(guī)定深度時鉆機(jī)空轉(zhuǎn)5 min；打孔時工人應(yīng)根據(jù)鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度及返水情況記錄好各炮孔不同深度處巖石的軟硬情況。

圖4 煤柱側(cè)向切頂深孔爆破鉆孔示意(m)

本次使用凹槽爆破筒外徑50 mm。炸藥采用煤礦許用三級乳化炸藥，藥卷尺寸長200 mm，直徑35 mm。深孔爆破由于炮孔較深，為了便于裝藥，需采用阻燃防靜電凹槽爆破筒[5-6]，每節(jié)爆破筒2 m長，裝入炸藥量約3 kg，每米裝藥量約1.5 kg。封孔采用封泥袋，設(shè)置封孔長度為1.2 m。

3.2 效果分析

切頂卸壓技術(shù)實(shí)施后，在11103工作面膠運(yùn)巷和輔運(yùn)巷超前工作面60 m的位置處布置巷道表面位移監(jiān)測站，表面位移采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行觀測，持續(xù)觀測至工作面回采推進(jìn)測站位置處，根據(jù)觀測結(jié)果得出回采期間巷道表面位移曲線，見圖5。

圖5 煤柱側(cè)向切頂卸壓后巷道表面位移曲線

由圖5可知，巷道在超前工作面60 m的范圍內(nèi)，膠運(yùn)巷和輔運(yùn)巷在距工作面35～60 m的范圍內(nèi)，頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟烤^小，當(dāng)測站與回采工作面距離小于35 m后，此時隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，膠運(yùn)巷和輔運(yùn)巷頂?shù)装寮皟蓭妥冃嗡俾书_始逐漸增大。其中膠運(yùn)巷在距離工作面14 m的位置處變形速率最大，當(dāng)測站距離工作面1 m時，此時頂?shù)?/p>

板移近量達(dá)到500 mm，兩幫移近量達(dá)到505 mm；輔運(yùn)巷在距離工作面12 m的位置處，圍巖變形速率達(dá)到最大值，在測站距離工作面1 m時，此時頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟糠謩e為360 mm和460 mm。另外根據(jù)切頂卸壓后11105輔運(yùn)巷圍巖變形的觀測結(jié)果可知，煤柱側(cè)切頂卸壓后，11105工作面輔運(yùn)巷受到鄰近回采工作面采動影響較小，11103工作面回采期間，11105工作面輔運(yùn)巷圍巖最大變形量為70 mm。

根據(jù)上述分析可知，11103工作面膠運(yùn)巷、輔運(yùn)巷及11105輔運(yùn)巷在采用切頂卸壓技術(shù)后，圍巖變形量均得到了有效控制，解決了巷道圍巖變形量大的問題，巷道的圍巖變形滿足回采巷道的使用要求。

4 結(jié) 語

根據(jù)采動影響下11103輔運(yùn)巷、膠運(yùn)巷和11105工作面輔運(yùn)巷的變形情況，結(jié)合巷道賦存情況確定巷道變形量大的主要原因為圍巖應(yīng)力集中，通過采用切頂卸壓措施，3條巷道圍巖變形量大的問題得到了解決，保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。