預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)在章村礦沿空留巷中的應(yīng)用

李春風(fēng)

【摘? 要】基于沿空留巷理論研究和現(xiàn)場實(shí)踐，提出以改善留巷應(yīng)力狀態(tài)為研究中心，以頂板爆破切頂泄壓理論為依據(jù)，探討了切頂泄壓爆破施工及留巷支護(hù)技術(shù)參數(shù)，通過對(duì)工作面回采過程中頂板受力狀態(tài)分析，確定影響切頂卸壓沿空留巷的關(guān)鍵參數(shù)為頂板預(yù)裂切頂高度、預(yù)裂切頂角度以及預(yù)裂爆破鉆孔間距，通過超前聚能切縫，沿巷道走向切開一條裂縫，縮短采空區(qū)側(cè)懸臂梁的長度，減少采空區(qū)頂板壓力向留巷的傳遞，控制上覆巖層的回轉(zhuǎn)和下沉變形，實(shí)現(xiàn)卸壓。

【關(guān)鍵詞】切頂泄壓;沿空留巷;預(yù)裂爆破

0 引言

章村礦開采歷史已近百年，隨著開采水平的不斷延伸，礦井戰(zhàn)線越來越長，礦井運(yùn)輸環(huán)節(jié)多、通風(fēng)路線長、礦井開采頂板壓力大等一系列難題長期制約礦井發(fā)展，特別是自2007年礦井轉(zhuǎn)入-200水平西翼開采以來，地質(zhì)條件更為復(fù)雜，煤層薄，規(guī)劃采區(qū)面積小，進(jìn)行單翼開采，無法實(shí)施跳采，在此情況下，章村礦引進(jìn)并制定適合本礦的沿空留巷技術(shù)，自4224采區(qū)開始推廣應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。隨著生產(chǎn)采區(qū)轉(zhuǎn)移至目前的4226、4231采區(qū)，由于生產(chǎn)地質(zhì)條件的變化以及沿空留巷工藝的革新，原有的留巷工藝越來越不適用于現(xiàn)有采區(qū)，留巷底鼓、幫鼓變形量大，維護(hù)成本高，因此，在原有留巷基礎(chǔ)上，結(jié)合采區(qū)生產(chǎn)地質(zhì)條件以及當(dāng)前沿空留巷新工藝，改進(jìn)當(dāng)前沿空留巷施工工藝勢(shì)在必行。

1 預(yù)裂爆破切頂泄壓技術(shù)原理

預(yù)裂爆破切頂卸壓留巷技術(shù)是一種新型的沿空留巷方式，該技術(shù)通過超前聚能切縫，形成切縫結(jié)構(gòu)面，利用采空區(qū)碎脹的矸石進(jìn)行護(hù)巷。由于切縫改變了頂板巖層結(jié)構(gòu)連接狀態(tài)，切斷了巷道頂板與采空區(qū)頂板巖層間的應(yīng)力傳遞路徑，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境得到改善。其中，頂板預(yù)裂切縫是該技術(shù)的關(guān)鍵工藝之一，切縫效果的好壞不僅影響到采空側(cè)矸石能否垮滿充實(shí)，而且對(duì)巷道的變形控制起關(guān)鍵作用。

預(yù)裂爆破切頂卸壓留巷技術(shù)平面原理如圖1所示，技術(shù)核心是通過頂板預(yù)裂切縫，增大采空區(qū)頂板巖體的碎脹體積，借助礦山壓力并利用碎脹的矸石進(jìn)行護(hù)巷，從而實(shí)現(xiàn)無煤柱開采。切縫前，巷道頂板和采空區(qū)頂板是一個(gè)結(jié)構(gòu)整體，兩者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本保持同步;切縫后，兩者頂板結(jié)構(gòu)連接狀態(tài)發(fā)生改變。采空區(qū)頂板巖體在周期來壓作用下沿切縫結(jié)構(gòu)面切斷滑落，跨落后的矸石成為護(hù)巷體。而巷道頂板則利用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，保持原有狀態(tài)不變。由于切縫后巷道頂板由長臂巖梁轉(zhuǎn)化為短臂巖梁，一定程度上減小了懸臂荷載，有利于巷道穩(wěn)定，斷面原理如圖2所示。

2 聚能切縫機(jī)制

預(yù)裂爆破切頂泄壓留巷成功實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)之一是頂板聚能切縫，通過預(yù)先在爆破孔內(nèi)安裝的聚能管，實(shí)現(xiàn)定向爆破。聚能管兩側(cè)有定向聚能槽，爆破時(shí)從槽內(nèi)釋放能量流。由于聚能裝置的壓縮性較小，作用過程中爆破能量主要以動(dòng)能形式釋放，避免了爆生氣體膨脹引起的能量分散，從而沿設(shè)定方向形成高能流，集中作用于設(shè)定方向上。聚能爆破時(shí)，爆轟會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓、高速氣體，由于聚能部位為薄弱面，爆生氣體沿聚能孔方向驅(qū)動(dòng)裂紋，形成強(qiáng)有力的“氣楔”，在垂直于設(shè)定方向上產(chǎn)生反射拉應(yīng)力作用，裂紋不斷損傷擴(kuò)展，最終使頂板巖體沿設(shè)定方向拉張開裂。因此，聚能爆破實(shí)質(zhì)是通過聚能裝置使爆轟產(chǎn)物在孔壁非設(shè)定方向上產(chǎn)生均勻壓力，而在設(shè)定的兩個(gè)方向上產(chǎn)生集中拉力，實(shí)現(xiàn)巖體定向拉張成縫。

D型聚能管如圖3所示，聚能爆破受力模型如圖4所示。

3 工程地質(zhì)條件

2下3103工作面為4231采區(qū)首個(gè)2下煤開采工作面，該工作面北部為一北東向的向斜構(gòu)造，向斜軸走向221度，向斜軸部及附近裂隙較發(fā)育。本面煤層厚度0.8～2.6米，平均1.6米，傾角6～19度，平均8度;工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，老頂為細(xì)粒砂巖，直接底為泥巖，厚2.01米，老底為砂質(zhì)泥巖。頂?shù)装鍘r性情況見表1。

4 預(yù)裂爆破切頂泄壓關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 預(yù)裂切頂高度H

預(yù)裂爆破切頂?shù)哪康囊皇潜ＷC采空區(qū)頂板垮落的矸石充滿采空區(qū)，二是切斷直接頂頂板壓力由于垮落發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)后壓力向留巷內(nèi)的傳遞通道。根據(jù)章村礦以往留巷過程中存在底鼓嚴(yán)重的問題，結(jié)合2下3103工作面煤層頂板巖性情況，為了達(dá)到充分卸壓的目的，根據(jù)切頂卸壓機(jī)理，應(yīng)該切到關(guān)鍵層。

根據(jù)礦壓理論，切頂高度可按下式進(jìn)行計(jì)算：

另外根據(jù)目前國內(nèi)切頂卸壓沿空留巷經(jīng)驗(yàn)，合理預(yù)裂切縫深度（hc）設(shè)計(jì)一般大于2.6 倍采高，即hc≥2.6hf，計(jì)算hc≥5.2m。

綜合考慮上述計(jì)算結(jié)果，同時(shí)根據(jù)2下3103工作面綜合柱狀圖得知，直接頂為泥質(zhì)砂巖，厚2.25米，老頂為細(xì)砂巖，厚6.44米，因此，切頂高度應(yīng)切到老頂細(xì)砂巖層位，故選擇切縫深度為9米。

4.2 切頂位置S

切縫孔位置為鉆孔開孔處與工作面回采幫之間的水平距離，2下3103工作面所留巷道為運(yùn)煤巷，根據(jù)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理，切縫位置S越小越好，但由于鉆車作業(yè)空間施工以及考慮巷道煤幫變形等因素影響，切縫位置S需要取一定的數(shù)值，綜合工作面運(yùn)煤巷巷道布置以及圍巖變性條件，確定切縫位置S=450mm，且鉆孔施工期間保證切縫孔在一條直線上。

4.3 切頂傾角β

切縫孔傾角β是指在巷道斷面圖中，鉆孔與豎直方向的夾角。切縫孔傾角β要考慮切頂后，基本頂斷裂位置以及切頂線上方基本頂懸露長度等影響因素。結(jié)合2下3103運(yùn)煤巷頂板厚度及切頂卸壓專用鉆機(jī)的施工情況，確定切縫孔傾角β=15°。

切頂高度、切頂位置、切頂傾角如圖5所示。

4.4預(yù)裂爆破孔孔徑d和間距L

從理論上來說，切縫鉆孔孔徑越大，其炮孔間距也可以隨之放大，但限于施工機(jī)具問題，鉆孔直徑不可能很大，目前，國內(nèi)井下施工孔徑一般在30～110mm之間，同時(shí)，孔徑及孔距的設(shè)計(jì)還要充分考慮頂板巖性情況。根據(jù)2下3103工作面運(yùn)煤巷頂板圍巖條件，結(jié)合原2608工作面施工經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮施工機(jī)具等原因，確定爆破卸壓孔直徑為42mm，眼距為600mm。每隔10個(gè)炮孔施工一個(gè)觀測孔。打眼機(jī)具采用CMM2-8煤礦用液壓錨桿鉆車，

5 預(yù)裂爆破切頂泄壓沿空留巷施工工藝

5.1超前加固錨索施工

為提高留巷整體支護(hù)強(qiáng)度，在工作面超前煤壁前方50m～70m以外工作面煤壁側(cè)距巷中1200mm處布置一道切頂錨索，在巷道中心線偏非空區(qū)側(cè)300mm處布置一道加固錨索，錨索垂直頂板施工，順巷布置。錨索采用Φ21.8、L8300mm鋼絞線錨索，采用樹脂藥卷CK2335一卷、Z2360兩卷錨固，錨索梁均采用14#槽鋼制作，切頂錨索梁長1.2m，加固錨索梁長2.8m，切頂錨索梁一梁兩孔，加固錨索梁一梁三孔，錨索布置及間排距如圖7所示。

5.2切頂鉆孔施工及爆破

超前工作面煤壁30～50米范圍施工切縫鉆孔并實(shí)施爆破，切縫鉆孔施工時(shí)，按照設(shè)計(jì)要求，以巷道中線為基準(zhǔn)，沿采煤側(cè)巷道頂板準(zhǔn)確標(biāo)出各鉆孔位置，鉆孔表面布置在一條直線上要保證施工位置，現(xiàn)場必須掛線施工;調(diào)整鉆機(jī)位置，使鉆機(jī)鉆臂（即鉆桿）在三維空間上與水平面成75°，與上述鉆孔連線垂直，并準(zhǔn)備好角度測量儀器，確保開孔角度符合設(shè)計(jì)要求;使用直徑為42mm 的專用鉆頭，按照上述角度，在巷道頂板鉆孔標(biāo)注位置準(zhǔn)確定位，并進(jìn)行鉆進(jìn)施工，鉆進(jìn)深度為9000mm，準(zhǔn)確操作鉆機(jī)，保證成孔平直度。

爆破后，通過隔爆相機(jī)對(duì)巷道表面進(jìn)行照相，同時(shí)，通過鉆孔自動(dòng)成像儀對(duì)孔內(nèi)預(yù)裂縫孔內(nèi)擴(kuò)展情況進(jìn)行檢測。觀測結(jié)果如圖8所示。

通過巷道表面及孔內(nèi)爆破后形成裂縫觀測分析，放炮后，預(yù)裂切縫基本沿設(shè)計(jì)方向延伸，孔內(nèi)預(yù)裂效果良好，同時(shí)，在放炮后現(xiàn)場觀測時(shí)，觀測孔內(nèi)有明顯的炮煙，說明孔與孔之間通過爆破瞬間張開的裂縫實(shí)現(xiàn)了貫通，預(yù)裂爆破達(dá)到了切頂?shù)哪康摹?/p>

6 切頂泄壓沿空留巷變形分析

為更好地對(duì)比分析留巷變形量，章村礦在2下3103工作面運(yùn)煤巷留巷段在實(shí)施預(yù)裂爆破段與未實(shí)施預(yù)裂爆破段分別進(jìn)行設(shè)站觀測，每10米一個(gè)觀測站，通過觀測站觀測變形，實(shí)施預(yù)裂爆破泄壓后段巷道變形情況如下

（1）兩幫變形量：預(yù)裂爆破泄壓后，該段煤壁側(cè)幫鼓變形量在300～400mm左右，錨桿支護(hù)仍然具有支護(hù)作用，僅局部段有變形量較大造成片幫，錨桿支護(hù)失效情況;而里段未實(shí)施預(yù)裂爆破段巷道幫鼓變形量在700～1000mm之間，巷道變形量較大，幫錨桿支護(hù)幾近于失效，巷道后路臥底整修時(shí)，需要進(jìn)行擴(kuò)幫整修，維護(hù)工作量大。

（2）頂板下沉量：通過觀測數(shù)據(jù)分析，頂板無論是預(yù)裂爆破泄壓段，還是未爆破泄壓段，頂板下沉量相差不大，說明，在留巷空區(qū)側(cè)頂板跨落后，頂板均發(fā)生一定程度回轉(zhuǎn)，之后在各方支護(hù)力協(xié)同作用下達(dá)到平衡。

（3）底鼓量：底鼓變形量相差較大，實(shí)施預(yù)裂爆破段留巷底鼓變形量在400～600mm之間，而未實(shí)施預(yù)裂爆破段留巷底鼓變形量在1000～1200mm之間，最大能達(dá)到1500mm，說明預(yù)裂爆破后通過切斷頂板壓力傳遞方向，留巷壓力大為減小，使得底鼓變形大大減小，從而降低了留巷維護(hù)量。

沿空留巷頂?shù)住蓭妥冃瘟咳鐖D10所示。

7 結(jié)論

根據(jù)章村礦2下3103工作面頂?shù)装鍑鷰r條件，分析沿空留巷特點(diǎn)，通過理論計(jì)算、受力分析及現(xiàn)場實(shí)測等手段進(jìn)行了預(yù)裂爆破卸壓技術(shù)研究，研究結(jié)論如下：

（1）對(duì)比當(dāng)前國內(nèi)所應(yīng)用的各種聚能爆破技術(shù)，針對(duì)章村礦2下3103工作面圍巖條件，發(fā)現(xiàn)采用D性聚能管實(shí)施預(yù)裂爆破，通過窺視儀器觀測，爆破后預(yù)裂效果良好，說明該聚能管聚能效果良好，鉆孔爆破設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

（2）通過在工作面煤壁前方加打超前加固錨索，提高留巷自身支撐強(qiáng)度，使其形成一個(gè)完整的整體，對(duì)控制留巷頂板變形至關(guān)重要。

（3）實(shí)施預(yù)裂爆破切頂泄壓技術(shù)后，靠近切縫線工作面約30米范圍，工作面支架工作阻力有明顯下降趨勢(shì)，說明切頂后應(yīng)力向遠(yuǎn)離切縫線處傳遞轉(zhuǎn)移，切縫泄壓對(duì)工作面應(yīng)力傳遞起到關(guān)鍵性作用。

（4）預(yù)裂爆破切頂泄壓后，留巷頂板壓力降低趨勢(shì)明顯，對(duì)比留巷架后承壓段（架后120米范圍）單體支護(hù)阻力，靠空區(qū)側(cè)單體支護(hù)阻力較大，說明該處所受壓力最大，是控制留巷頂板變形的關(guān)鍵。

（5）采用預(yù)裂爆破泄壓后，無論是幫鼓變形、底鼓變形以及頂板變形，都實(shí)現(xiàn)了大幅下降，其中，尤以困擾章村礦以往沿空留巷過程中幫鼓、底鼓變形量大，維護(hù)量大的難題得到大為改善，變形量大大降低，幫鼓變形量減少400mm左右（相較原來留巷減少50%），底鼓變形量減少800mm以上（相較原來留巷變形量減少67%），減少了維護(hù)成本。

（作者單位：冀中能源股份有限公司章村礦）