潞寧煤業(yè)22116工作面切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)應(yīng)用

王 亮

（潞安化工集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

采區(qū)大巷主要負(fù)責(zé)采區(qū)的通風(fēng)、運(yùn)輸、行人等，其穩(wěn)定性與否對(duì)礦井的安全生產(chǎn)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。潞寧煤業(yè)22116 工作面附近采區(qū)大巷因受到采動(dòng)影響而圍巖變形量大大增加，急需采取一定的措施來減少采動(dòng)應(yīng)力傳遞，降低圍巖變形量，提高大巷的服務(wù)年限。

潞寧煤業(yè)22116 工作面位于22114 和22118工作面中間，為孤島工作面，工作面位置關(guān)系圖見圖1。該工作面開采2#煤層，其厚度約3.5 m，傾角4.5°，屬近水平中厚煤層；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部有夾矸，預(yù)計(jì)可采儲(chǔ)量約1.736 72 Mt。工作面走向長度為1 877 m，傾向長度為178 m；2#煤層直接頂為8.5 m 的粉砂巖，老頂為13.3 m 的中粒砂巖。22116 工作面煤巖柱狀圖見圖2。

圖1 工作面位置關(guān)系

圖2 22116 工作面煤巖柱狀圖

2 切頂卸壓護(hù)巷方案

切頂卸壓方法可大致分為炸藥爆破、水壓致裂、靜態(tài)破碎和二氧化碳致裂四種。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況及礦井資料，本次切頂卸壓采用炸藥爆破法。其基本原理是通過將炸藥裝入在預(yù)定鉆孔內(nèi)，引爆炸藥產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波，從而對(duì)頂板巖層產(chǎn)生震動(dòng)裂隙，裂隙貫通后形成斷裂面，達(dá)到阻止工作面超前支承壓力傳播［1-2］目的。

本次切頂在停采線附近布置炮孔形成切頂線，但由于回撤通道還未形成，為了不影響生產(chǎn)，擬在距離停采線最近的材料斜巷內(nèi)采用超前深孔預(yù)裂爆破法進(jìn)行鉆孔爆破。因鉆孔爆破效果易受炮孔長度、角度、間距、孔徑、裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥量、封孔長度等因素影響，爆破參數(shù)的選擇就尤為重要。近年來，國內(nèi)外學(xué)者主要采用如下方法來確定爆破參數(shù)。

2.1 炮孔角度

炮孔角度主要分為方位角和仰角，因爆破裂隙的輻射長度和三帶范圍主要受仰角影響，因此炮孔參數(shù)設(shè)計(jì)中主要考慮仰角因素，其計(jì)算見公式（1）［3-4］：

式中：l為炮孔水平投影長度，m；θ為煤層傾角，°；β為炮孔端頭距頂板長度，m；H為放頂高度，m。

2.2 炮孔直徑

根據(jù)理論推算，炮孔孔徑越大、裝藥量越多，其爆破影響范圍就越大。但受地質(zhì)因素、施工條件、經(jīng)濟(jì)效益等因素影響，孔徑并非越大越好，孔徑的大小直接影響著炮孔裝藥量、施工強(qiáng)度、炮孔數(shù)量。因此，根據(jù)潞寧煤業(yè)設(shè)備條件及施工環(huán)境選擇炮孔直徑為75 mm。

2.3 炮孔長度

炮孔長度的確定取決于上覆巖層關(guān)鍵層的高度，也就是老頂?shù)暮穸龋?-6］。22116 工作面直接頂8.5 m，老頂13.3 m，所以需要切頂高度為21.8 m，通過以下公式可以計(jì)算得出炮孔長度即為31 m。

式中：L為炮孔長度；ɑ 為炮孔角度；l為切頂高度。

2.4 炮孔間距

爆破切頂?shù)脑硎峭ㄟ^爆破裂隙貫通而形成斷裂面，來切斷應(yīng)力的傳播。當(dāng)炮孔間距較大時(shí)，兩個(gè)炮孔之間的爆破裂隙不能相互貫通，爆破切頂?shù)男Ч焕硐?；而?dāng)炮孔間距較小時(shí)，盡管爆破效果較好，但消耗的炸藥量較多。鑒于此，本文采用裂隙圈計(jì)算公式來確定兩個(gè)炮孔之間的間距［7］：

式中：RP為松動(dòng)圈半徑；α 為應(yīng)力衰減值；v為泊松比；P為初始應(yīng)力峰值；rb為炮孔半徑；St為抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)上述理論公式計(jì)算，松動(dòng)圈半徑為3.1 m，為了保證爆破效果，結(jié)合地質(zhì)條件適當(dāng)調(diào)整、確定炮孔間距為6 m。

2.5 裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥量

裝藥量是影響爆破效果的另一個(gè)關(guān)鍵因素，裝藥量的大小與頂板的巖性、孔徑、孔間距有關(guān)，通常如下的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：q為單位耗藥量kg/m3；l為鉆孔深度；w為最小抵抗線；a為炮孔間距。

結(jié)合22116 工作面地質(zhì)條件，并根據(jù)上述公式計(jì)算，最終確定爆破切頂卸壓炮孔關(guān)鍵參數(shù)為：炮孔角度45°，孔徑75 mm，炮孔長度31 m，炮孔間距6 m，放頂高度21.8 m，裝藥長度20 m，封孔長度11 m，施工鉆孔11 個(gè)，鉆孔總長度341 m。為保證爆破效果，選用10 個(gè)長2 m、直徑60 mm 的炸藥筒分兩組裝藥，共需約34 kg炸藥，首先在巷道內(nèi)將炸藥筒裝滿，然后分兩組填入炮孔內(nèi)，每個(gè)炸藥筒之間用膠帶固定，最后在全部填入后將母線引出孔口隔孔相連。炮孔位置見圖3，炮孔剖面見圖4，裝藥結(jié)構(gòu)見圖5。

圖3 炮孔位置

圖4 炮孔剖面

圖5 裝藥結(jié)構(gòu)

本方案擬在材料斜巷內(nèi)進(jìn)行鉆孔爆破，材料斜巷上端距停采線25 m，距軌道上山45 m，下端距停采線55 m，距軌道上山35 m。

2.6 爆破流程

（1）首先由瓦斯檢查員進(jìn)行裝藥前的瓦斯檢查，確定瓦斯?jié)舛炔怀?，否則不予裝藥。

（2）由機(jī)電專員將爆破施工周圍電氣設(shè)備進(jìn)行停電閉鎖，否則不予裝藥。

（3）裝藥前，需檢查炮孔完整度，是否發(fā)生塌孔等影響裝藥情況，敲落周圍易垮落矸石，防止傷人，裝藥分為兩組同時(shí)裝藥。

（4）裝藥后，使用黃土炮泥封孔，封孔長度不得小于11 m，炮泥必須由炮棍進(jìn)行壓密，在封孔中注意保護(hù)雷管線不受損壞。

（5）爆破前再次檢查瓦斯?jié)舛?，沿傾向順序起爆，每次起爆不超過4 個(gè)炮孔，分組爆破。

（6）爆破后檢查瓦斯?jié)舛龋瑖?yán)格執(zhí)行一炮三檢制度。

3 礦壓監(jiān)測(cè)方案

為進(jìn)一步了解爆破切頂?shù)男Ч?，在材料斜巷?nèi)采用“十字布點(diǎn)法”進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)間距為6 m。測(cè)點(diǎn)安裝前，先清理浮矸，頂?shù)装暹B線必須保證垂直，測(cè)量時(shí)應(yīng)使用皮尺拉緊測(cè)量。在工作面距離測(cè)點(diǎn)75 m 外時(shí)，每5 天測(cè)量一次，在工作面距離測(cè)點(diǎn)75 m 以內(nèi)時(shí)，每天測(cè)量一次，在工作面距離測(cè)點(diǎn)30 m 以內(nèi)時(shí)，每班測(cè)量一次。測(cè)點(diǎn)布置見圖6。

圖6 測(cè)點(diǎn)布置

通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，選取具有代表性的1、2 號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制測(cè)點(diǎn)位移變形曲線見圖7-1、7-2。由曲線圖可知，在7月19日時(shí)，曲線斜率增大，說明由于工作面的推進(jìn)，在超前支承壓力的影響下，該區(qū)進(jìn)入了應(yīng)力增高區(qū)，導(dǎo)致巷道圍巖變形量開始顯著增加，且隨著工作面與斜巷的距離減小，其圍巖變形量還會(huì)持續(xù)增加。8月17日工作面停采，此時(shí)兩幫變形量最大為260 mm，頂?shù)装遄冃瘟孔畲鬄?15 mm，在此之后曲線斜率趨于平緩。但因受采動(dòng)影響的上覆巖層還未達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致兩幫及頂?shù)装遄冃卧黾樱鋬蓭妥畲笞冃瘟繛?00 mm，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?50 mm，較之停采時(shí)變形量升高了約15%。由曲線圖可以看出，爆破切頂后巷道圍巖變形曲線斜率顯著下降，兩幫變形量最大為304 mm，頂?shù)装遄冃瘟孔畲鬄?53 mm，較之切頂時(shí)變化幅度低于2%，這表明由于頂板連續(xù)性被破壞，降低了超前支承壓力的傳遞，減少了上覆巖層對(duì)巷道圍巖的影響。

圖7 -1 1 號(hào)測(cè)點(diǎn)圍巖變形量曲線

圖7 -2 2 號(hào)測(cè)點(diǎn)圍巖變形量曲線

4 結(jié)論

1）根據(jù)22116 工作面地質(zhì)條件，確定在距停采線最近的材料斜巷內(nèi)進(jìn)行爆破切頂卸壓施工，并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定了炮孔仰角為45°、孔徑75 mm、炮孔長度31 m，炮孔間距為6 m，放頂高度為21.8 m，裝藥長度20 m，封孔長度11 m 等關(guān)鍵參數(shù)。

2）通過圍巖變形量曲線圖分析可知，距工作面距離越近，圍巖變形量越大，截至停采時(shí)，兩幫變形量最大為260 mm，頂?shù)装遄冃瘟孔畲鬄?15 mm。在切頂前，曲線斜率有所緩和，但仍為持續(xù)升高狀態(tài)，代表此時(shí)該區(qū)域仍處于超前支承壓力峰值影響范圍內(nèi)，在切頂后，曲線斜率趨于平穩(wěn)，兩幫變形量最大為304 mm，頂?shù)装遄冃瘟孔畲鬄?53 mm，較之切頂時(shí)變化幅度低于2%，證明爆破切頂方案有效的減小了超前支承壓力的傳遞，降低了上覆巖層對(duì)巷道圍巖的影響，保護(hù)了巷道圍巖的安全。