密集鉆孔技術在東瑞煤礦切頂卸壓的應用

曹澤峰

（山西煤炭運銷集團古縣東瑞煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

東瑞煤礦2101 綜采工作面位于2#煤層一采區(qū)，順槽可采長度762 m，切眼長度為180 m。工作面西部為三條大巷，西部為2103 回采工作面，北部為井田邊界，東部為井田內推斷采空區(qū)。工作面回采期間2101 輔運順槽采用切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采工藝，留巷后作為2103 運輸順槽使用。2101 工作面推進約100 m 時，采用聚能切縫爆破切頂卸壓技術。留巷在使用過程中出現一些問題，例如巷道頂板旋轉下沉、單體支柱穿底、U 型鋼底端向巷道滑動傾斜等現象。經過分析，其主要原因在于切頂高度不足。為此，決定采用密集鉆孔技術來進行切頂卸壓。

1 密集孔切頂技術原理

在巷道開挖后，巷道圍巖應力會重新分布，使得巷道圍巖周圍出現松動圈。在松動圈內圍巖處于兩向或單向受力狀態(tài)，很容易在應力集中條件下發(fā)生破壞[1-2]。鉆孔與巷道形成的松動圈相類似。隨著鉆孔周圍應力的重新分布，圍巖經歷了由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)的轉化。最終在鉆孔周圍形成一定范圍的破碎區(qū)，如圖1。由于破碎區(qū)的強度降低，使得圍巖喪失承載能力。通常情況下，將鉆孔周圍的破碎區(qū)和塑性區(qū)稱之為卸壓區(qū)。一個鉆孔的卸壓區(qū)是有限的，但是多個鉆孔間距足夠小的時候，會使得鉆孔的卸壓區(qū)域相互疊加，形成一個較大范圍的卸壓區(qū)，如圖2。

圖2 鉆孔卸壓區(qū)疊加示意圖

密集鉆孔切頂的主要原理：在鉆孔足夠密集的情況下，由于擾動范圍的非線性疊加，在很大程度上增加了卸壓的效果。與此同時，在鉆孔破碎區(qū)域疊加的位置，有很大可能產生一條非定向的裂縫，裂縫可以對煤層頂板的巖層進行切斷。

在進行施工時，主要分為三個過程：（1）進行密集鉆孔施工，通過大量的鉆孔改變圍巖應力分布狀態(tài)，對巖體進行卸壓；（2）鉆孔周圍的塑性區(qū)不斷擴展，形成一定范圍的破碎區(qū)；（3）破碎區(qū)的范圍相互疊加，相互貫通，從而達到對巖層的切斷效果。

2 切頂技術參數計算

制定密集鉆孔方案時，針對鉆孔參數的選擇一定要根據理論計算值和現場經驗總結做出合理的設計。為取得較好的切頂效果，本節(jié)對切頂參數設計展開研究。切頂的技術關鍵在于四個重要指標[3]：鉆孔直徑、切頂角度、切頂高度、鉆孔間距。鉆孔角度一般由既有鉆機條件決定，目前東瑞煤礦購置型號為CMS1-1600/30 的煤礦用深孔鉆車開展沿空留巷切頂鉆孔，配套鉆頭直徑50 mm，滿足鉆孔打眼要求。

2.1 切頂角度計算

在切頂時，切頂的角度對切頂的效果存在著很大的影響，也會對卸壓的效果產生一定的影響。在切頂角度合理時，采空區(qū)的頂板垮落將更加合理，應力分布更加均勻，從而更加容易穩(wěn)定。正常情況下，頂板切斷后要依靠自身的重力來克服切縫邊緣的摩擦力，從而使頂板切斷后垮落。水平方向上的切頂角度變化，可以達到減小擠壓摩擦力的目的。但是，當切頂角度過小時，采空區(qū)頂板回轉下沉時擠壓摩擦阻力大于下滑力，頂板回采后難以切落。

綜上所述，切頂角度不宜過大，雖然鉆孔角度的加大會確保采區(qū)頂板的順利垮落，但是將會導致巷旁支護阻力過大，難以確保留巷的成功。同時，切頂角度不宜過小，過小容易導致采空區(qū)頂板垮落困難或垮落不徹底，造成安全隱患。因此，通過理論計算及工程類比設計合理的切頂角度，確保切頂過程經濟、安全。

為了使采空區(qū)頂板能順利垮落，需要建立頂板垮落的力學模型[4]。假設切頂的角度為θ，切頂的厚度為H，在切頂后會形成一種鉸接梁結構，如圖3。

圖3 切頂受力分析

此時直接頂范圍內巖體仍較易垮落，而基本頂關鍵巖塊A'、B'則會在水平壓力的作用下相互咬合形成穩(wěn)定的砌體梁結構。為保證關鍵塊B'可沿切縫面產生滑落，根據砌體梁理論和圍巖結構S-R 穩(wěn)定原理可得其失穩(wěn)條件為：

化簡可得：

式中：q為基本頂自重及其荷載的作用力集度，kN/m；L為基本頂巖塊的側向跨度，m；h為基本頂的厚度，m；ΔS為巖塊B′的下沉量，m；φ為巖塊間的摩擦角，（°）；θ為切頂角度，（°）。

根據采高Hc不同，切頂角度θ一般也可以按以下經驗數據進行設計：當Hc≤1 m 時，θ=20°；當1 m＜Hc＜3 m 時，θ=15°；當3 m＜Hc≤5 m 時，θ=10°。由于煤層高度0.9 m，采煤高度1.4～1.6 m，因此，確定切頂角度為15°。

2.2 切頂高度計算

密集孔切頂需要一定高度，切頂高度從順槽頂板平面開始到切縫沿頂板向上發(fā)育完全處之間的最大垂直距離，切縫則是由密集孔周圍巖石在礦山壓力下形成塑性區(qū)。確定切頂高度時應考慮采空區(qū)頂板回轉下沉彎曲變形過程中能否順利剪斷。切頂高度越大，拉應力越大，因此進行切頂設計時，應把切頂高度設計大一些，從而確保足夠的頂板壓力促使頂板順利切落。

當設計切頂高度過小時，容易導致工作面頂板冒落不充分，上部頂板懸而不冒，一旦突然冒落將形成巨大沖擊力；當設計切頂高度過大時，容易降低鉆孔精確度，增加施工難度。因此，應該根據實際地質情況及理論計算，選取合適的切頂高度。

利用切頂后巖石垮落碎脹的特點，使切頂范圍內巖層垮落后充滿整個采空區(qū)，對更上位的巖層起到了較好的支撐作用，其切頂高度為：

根據頂板巖層厚度分布，選取碎脹系數為1.24，計算得出切頂高度為6.7 m。由于采煤方式選擇破底施工，順槽高度2.8～3.0 m，采煤高度1.6 m，采空區(qū)頂板距巷道頂板1.4 m。當切頂角度為15°時，對應的鉆孔深度為5.59 m。為滿足切頂要求，設計鉆孔深度為6 m。

2.3 鉆孔間距計算

鉆孔間距應考慮地應力作用形成的鉆孔塑性區(qū)范圍。當切頂孔周圍的切向應力與切頂孔圍巖的抗拉強度相等，由此可求出塑性區(qū)半徑。根據工程地質條件知，2101 工作面埋深為210 m，直接頂頂板巖石的抗拉強度為1.63 MPa，計算出切頂孔孔壁的塑性區(qū)范圍為243 mm，因此設計密集切頂孔的間距為250 mm。

3 應用效果分析

為了驗證密集鉆孔卸壓的效果，對卸壓后的巷道進行了觀測。經過一個月的觀測，發(fā)現巷道的頂底板移近量在40～120 mm 之間，兩幫收斂量在80～150 mm 之間。而采用深孔聚能爆破時巷道頂底板移近量在200～400 mm 之間，兩幫收斂量在200～700 mm 之間。與此同時，密集鉆孔卸壓后的巷道頂板裂縫更少，礦山壓力顯現更小。

4 結語

在煤礦沿空留巷施工過程中，切頂卸壓已經成為一種重要手段。切頂卸壓的實現有多種方式，選擇合適的方式十分關鍵。東瑞煤礦過去采用了聚能爆破的方式，但在應用過程中發(fā)現切頂深度不夠，巷道變形嚴重。為此，采用了密集鉆孔技術進行切頂。雖然根據密集鉆孔技術卸壓的原理選擇了關鍵的參數，但是在實施過程中還需要根據地質條件進行調整。