大采高綜采面懸板切頂預(yù)裂控制技術(shù)的實踐

李彭波

（山東能源棗礦集團(tuán)七五煤業(yè)公司，山東 棗莊 277000）

在煤礦井下開采過程中，會對迎采動工作面掘進(jìn)巷道造成擾動，影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。采取預(yù)裂切頂，進(jìn)而切斷本工作面回采動壓對鄰側(cè)掘巷的影響，是近年來較為常見的做法。以七五煤業(yè)3上219 大采高工作面為對象，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況和礦壓控制理論，進(jìn)行了端部懸板切頂預(yù)裂控制技術(shù)的實踐應(yīng)用研究[1-6]。

1 工程概況

山東能源棗礦集團(tuán)七五煤業(yè)公司主采3上煤層為中厚～厚煤層，煤層平均厚度3.60 m，煤層平均傾角8°。煤層上方直接頂為泥巖，厚度0.60～9.70 m，一般1.70 m 左右，次為砂質(zhì)泥巖、中砂巖及粉砂巖；基本頂為中砂巖和細(xì)砂巖，厚度3 m 左右。3上煤層頂板上方擁有兩層堅硬的石灰?guī)r。

3上219 大采高工作面位于-624 m 水平南二采區(qū)東翼，采用大采高一次采全厚長壁采煤法開采。因3上煤層頂板上方有兩層堅硬的石灰?guī)r，必須對其全部爆破切頂，有效切斷該工作面采動應(yīng)力對鄰側(cè)巷道的影響。

2 懸板切頂預(yù)裂控制技術(shù)的設(shè)計思路

（1）對3上219 大采高綜采面以及區(qū)段煤巷圍巖、基本支護(hù)與超前支護(hù)特點等地質(zhì)生產(chǎn)條件進(jìn)行確認(rèn)，建立開采過程中試驗區(qū)段煤巷圍巖變形破壞的三維數(shù)值模型，得出區(qū)段煤巷超前支承壓力的分布范圍與峰值特征，分析其受采動影響程度。分析超前采動影響過程中區(qū)段煤巷應(yīng)力、位移與塑性破壞場演化規(guī)律，探究區(qū)段巷道在鄰近采空區(qū)時的圍巖結(jié)構(gòu)展布特征，分析確定切頂控制措施的具體位置。根據(jù)超前采動影響范圍與程度以及開采工藝，研究切頂控制技術(shù)實施時序及位置與超前采動影響的關(guān)系，并評判提前實施對超前支護(hù)段巷道穩(wěn)定性的影響。

（2）分析煤礦井下頂板預(yù)裂控制技術(shù)優(yōu)缺點及其適用性，提出采用雙向聚能爆破切頂技術(shù)對端部區(qū)域頂板進(jìn)行提前預(yù)裂，以期緩解鄰側(cè)巷道經(jīng)歷采動時圍巖穩(wěn)定性問題。分析雙向聚能控制爆破技術(shù)的優(yōu)勢，探究雙向聚能裝置的作用機理及聚能效應(yīng)，基于爆破巖體巖性的差異及其結(jié)構(gòu)特點，確定合適的雙向聚能裝置。分析雙向聚能裝置上聚能孔布置方式、孔間距與巖性、巖體結(jié)構(gòu)以及施工巖體的應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系，綜合確定雙向聚能裝置的關(guān)鍵參數(shù)。

（3）基于3上219 工作面的施工條件，確定3上219 大采高綜采面端部懸板切頂預(yù)裂控制的具體方案，并通過現(xiàn)場試驗加以完善，形成最終切頂預(yù)裂控制技術(shù)方案。

3 雙向聚能預(yù)裂爆破技術(shù)的應(yīng)用

3.1 切頂原理分析

七五煤業(yè)在沿3上219 工作面推進(jìn)方向的相向方向留4 m 煤柱開掘3上215 軌道巷，該巷道的開掘主要是為保障下個工作面的正常回采。在3上219 工作面開采中，3上219 工作面產(chǎn)生的超前及側(cè)向支承壓力和3上215 軌道巷的超前支承壓力相互疊加，造成巷道圍巖應(yīng)力集中并急劇增高，對3上215 運輸巷產(chǎn)生不利影響。同時3上219 工作面采用一次采全高采煤方法，在煤層開采后，在采空區(qū)上方的覆巖會出現(xiàn)較大破斷和運動，會擾動相鄰3上215 工作面順槽，影響巷道圍巖的穩(wěn)定性，造成其巷道支護(hù)困難。

雙向聚能爆破切頂卸壓圍巖控制技術(shù)如圖1。由圖1（a）可知，巷道未進(jìn)行爆破切頂時，煤層開采后易造成巷道圍巖應(yīng)力升高；采用雙向聚能爆破切頂后，可使頂板在設(shè)計范圍內(nèi)沿指定切縫線垮落。由圖1（b）可知，該措施可以有效地降低荷載向巷道圍巖的傳遞。對3上219 工作面采用聚能爆破切頂卸壓技術(shù)進(jìn)行切頂施工，可以降低傳遞至3上215 巷工作面輔助順槽的應(yīng)力，減少3上215 巷在掘進(jìn)過程中所受采動影響。

圖1 雙向聚能爆破切頂卸壓圍巖控制技術(shù)示意圖

3.2 雙向聚能爆破原理分析

雙向聚能爆破原理如圖2，以聚能管圓心O 點為基礎(chǔ)，在Z 軸上布置兩排點狀聚能孔，聚能管裝藥引爆后，部分應(yīng)力波和爆炸能可沿Y 軸方向的聚能孔中釋放并造成巖體沖切破壞，其余爆炸能沿X軸方向形成集中壓力并對巖體進(jìn)行擠壓，結(jié)果可以在聚能孔方向形成一定深度范圍的裂隙。在3上219工作面巷道內(nèi)實施，產(chǎn)生的預(yù)裂切縫位置位于巷道頂板邊界處，可以較好實現(xiàn)切頂。雙向聚能爆破的破壞程度要適當(dāng)，否則會影響到3上219 工作面巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖2 雙向聚能爆破原理示意圖

3.3 預(yù)裂爆破參數(shù)的確定

根據(jù)3上219 工作面巷道的現(xiàn)場施工實況，確定了雙向聚能預(yù)裂爆破的試驗參數(shù)。

3.3.1 炮孔參數(shù)

（1）鉆孔深度。必須對3上219 工作面3上煤層頂板上覆兩層堅硬石灰?guī)r進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂，才能切斷采空區(qū)與煤柱之間的應(yīng)力聯(lián)系。經(jīng)計算，本次3上219 巷頂板雙向聚能預(yù)裂爆破鉆孔深度確定為13 m。

（2）鉆孔直徑。3上219 巷頂板雙向聚能預(yù)裂爆破鉆孔直徑取48 mm，具體參數(shù)如圖3。

圖3 鉆孔示意圖（mm）

（3）鉆孔角度及位置。3上219 巷頂板雙向聚能預(yù)裂爆破鉆孔角度取值2°左右，逐步爆破切頂作業(yè)模式，炮孔距煤壁約100 mm。

（4）孔間距。鉆孔孔間距大小影響爆破效果，孔間距過大會使得爆破效果不佳，孔間距過小會增加爆破工作量及施工作業(yè)時間。為保障爆炸效果，確定爆炸孔間距為500 mm（一般條件下堅硬巖層孔間距為500 mm，軟弱巖層孔間距為600 mm，可取得較好切頂效果）。

3.3.2 聚能管參數(shù)的確定

采用特制聚能管，外徑42 mm，內(nèi)徑36.5 mm，管長1500 mm。每孔安裝有8 根聚能管，第8 根聚能管靠近孔口方向截掉0.2 m。

3.3.3 乳化炸藥參數(shù)的確定

采用煤礦許用三緩乳化炸藥，規(guī)格Ф35 mm×300 mm。 炮 孔 裝 藥 方 案 為： 聚 能 管 為1.5+1.5+1.5+1.5+1.5+1.5+1.5+1.5 m，裝藥方式為“3+3+2+2+2+2+3+3”。

3.3.4 封泥工藝的確定

雙向聚能預(yù)裂爆破孔施工采用專業(yè)設(shè)備，鉆孔采用炮泥封泥工藝，封泥長度確定為2.5 m，爆破前進(jìn)行安全檢查。

3.3.5 爆破安全

（1）在起爆前要嚴(yán)格監(jiān)測試驗區(qū)域瓦斯?jié)舛?，達(dá)到相關(guān)規(guī)定方能爆破。

（2）在起爆前30 min 發(fā)出起爆預(yù)警，相關(guān)機械設(shè)備和工作人員必須撤離至安全紅線以外的區(qū)域。

（3）進(jìn)一步檢查確認(rèn)整個爆破網(wǎng)路的連接可靠性和安全性。

（4）爆炸安全員在紅線外值守，確保爆破作業(yè)的安全。

（5）整個爆破過程要符合《煤礦安全規(guī)程》的要求。

4 應(yīng)用效果

截至2021 年10 月底，七五煤業(yè)3上219 工作面已完成回采約520 m，共計實施雙向聚能預(yù)裂爆破孔62 個。對雙向聚能預(yù)裂爆破后巷道頂板下沉情況及采空區(qū)垮落效果的觀察發(fā)現(xiàn)，巷道頂板按設(shè)計方向破裂，且隨著工作面的推進(jìn)而垮落，形成短臂梁，填充密實。雙向聚能預(yù)裂爆破切斷了巷道頂板的應(yīng)力傳遞，保護(hù)了臨近3上215 軌道巷不受回采動壓影響。經(jīng)觀測統(tǒng)計，工作面巷道超前應(yīng)力區(qū)、架后破壞區(qū)、成巷穩(wěn)定區(qū)的頂板最大下沉量分別為150 mm、190 mm、95 mm，自身巷道穩(wěn)定性較好。