焦家寨礦深井高地應力切頂護大巷關鍵技術研究

張金龍

（晉能控股煤業(yè)集團 軒崗煤電有限責任公司，山西 忻州 034114）

1 概 況

焦家寨礦221 采區(qū)下山延深共3 條下山，平均埋深超過600 m，22116 工作面位于礦井+680 水平，擴221 采區(qū)，開采2 號煤層，工作面走向長810 m，傾斜長146 m。工作面標高+789—831 m，對應地面標高+1 355—1 265 m，平均埋深680 m。工作面井下位于礦井深部水平，改擴建221 采區(qū)下部，上界為221 采區(qū)22114 采空區(qū)，下界為實體煤層，西為221 總回風巷、221 軌道巷及221 區(qū)皮帶巷，東為井田保安煤柱。大巷之間的關系及其與采煤工作面之間的關系如圖1 所示，自西向東分別為221 區(qū)皮帶下山延深、回風下山延深、軌道下山延深，下山之間間距31.3 m 和36 m。2 號煤層平均厚度4.7 m，最大厚度7.3 m，采用低位放頂煤回采方法，采高較大，采動影響范圍遠，采動壓力較大，且3 條下山均布置在煤層中，抵御礦壓的能力較弱。

圖1 221 區(qū)軌道下山延伸布置示意Fig.1 Layout of track downhill extension in 221 area

以往回采過程中，工作面停采線距離軌道下山延深約41～86 m，在工作面接近停采線時，下山變形破壞嚴重，頂板下沉、兩幫幫鼓、底板底鼓，巷道斷面大幅收斂，為此礦方投入了大量的人力、物力對下山進行返修，返修工程量大、費用高。為了較好地保護采區(qū)巷道，防止綜放工作面開采所產生的采動壓力對采區(qū)巷道產生變形、甚至破壞，對礦井后期的生產和安全構成不利影響，對焦家寨礦現(xiàn)場進行了調研，對221 采區(qū)大巷及22116 工作面地質及開采條件進行分析，在此基礎上提出合理的切頂卸壓方案及爆破相關參數(shù)，實現(xiàn)巷道圍巖變形的有效控制。

2 工作面停采線切頂卸壓方案

工作面開采時，產生的采動壓力較大，且會超前于工作面本身向前傳遞。切頂卸壓護大巷即在22116 停采線附近采用爆破的方式切斷工作面與采區(qū)大巷之間上方頂板的力學聯(lián)系，使工作面內的采動壓力向上方更深的地方與兩側實體煤轉移，減小工作面采動應力影響范圍，降低其大小，從而實現(xiàn)對工作面前方的采區(qū)大巷的保護作用，為礦井長期正常與安全生產提供保障。

2.1 切頂卸壓方式的選擇

工作面頂板切頂卸壓逐漸成為解決動壓巷道高應力問題的重要技術手段，主要有爆破法和水力壓裂法。

爆破法是最早發(fā)展起來的，也是世界范圍內應用最為廣泛的卸壓技術，最早應用于南非金礦，目前廣泛應用于沖擊地壓防治、煤與瓦斯突出防治、堅硬頂板放頂?shù)阮I域。水力壓裂技術除了廣泛應用于地應力測試外，在采空區(qū)堅硬頂板處理、煤層沖擊地壓防治、瓦斯突出防治和煤層瓦斯增透等方面也得到嘗試和應用，從水力壓裂在礦山的應用來看，應用于煤層的案例數(shù)遠遠多于巖層，主要原因在于煤層內應用水力壓裂需要的壓力不大，技術要求相對簡單。

考慮爆破切頂卸壓相對較為成熟，能夠保證定向預裂，此次焦家寨礦22116 工作面確定采用爆破預裂切頂卸壓。

2.2 預裂爆破切頂施工位置的選擇

工作面頂板爆破預裂切頂?shù)奈恢弥饕? 種：①工作面兩巷深孔預裂爆破（停采線外15～30 m），超前爆破，不占用工作面檢修和生產時間，效率較高，不用開掘專用的工藝巷，巷道工程量少，但影響兩巷的運輸與維護，要求兩巷的斷面較大；②工藝巷深孔爆破預裂（平行于采面布置，停采線外15～30 m），增加了巷道的掘進量，投資較大，采煤與掘進相互干擾，增加了生產系統(tǒng)的復雜性，與在兩巷爆破相比，爆破孔施工深度較小，施工難度小，爆破效果較好；③工作面架間深孔爆破（停采線），有利于充分利用爆炸能量，但空間小，施工難度大，安全性差。

通過對上述3 種位置的對比可以發(fā)現(xiàn)，第2 種工藝巷深孔爆破預裂掘進工程量較大，經濟上不合理，而且采掘系統(tǒng)相互干擾，增加了生產系統(tǒng)的復雜性和安全隱患，第3 種也存在施工難度大、安全性差的問題，而第1 種則具有工程量較小、對生產影響較小的優(yōu)點，只是炮孔深度較大，具有一定的施工難度。綜合考慮選擇第1 種位置，即在兩巷內布置爆破孔進行爆破預裂。同時考慮22116 工作面接近停采線時，避免出現(xiàn)切頂后的大面積懸頂作用于支架，因此保留一定的安全距離，其安全距離應不小于老頂?shù)闹芷趤韷翰骄?，周期來壓步距約15～20 m，因此確定切頂位置與停采線的距離為20 m，如圖2 所示。

圖2 切頂位置布置示意Fig.2 Layout of cutting top position

2.3 目標切頂高度的確定

切頂卸壓成功的關鍵是實現(xiàn)對關鍵層的切頂。通過在停采線附近兩巷內布置深孔炮眼，裝藥爆破切斷關鍵巖層，從而減少回采過程中采動應力對大巷的破壞。根據(jù)22116 工作面Ⅵ02 地質鉆孔資料，巖層巖性及厚度特征如圖3 所示，頂板上方分別為5.57 m 中粒砂巖、4.64 m 泥巖和9.68 m 粗粒砂巖。通過分析，5.57 m 中粒砂巖為亞關鍵層，直覆煤層上方，在礦山壓力作用下可直接破斷垮落；9.68 m的粗粒砂巖為主關鍵層，位于垮落帶上部、彎曲下沉帶下部，不易破斷，是此次目標切頂巖層。目標切頂高度為24.6 m，考慮10%的巖層厚度變化，以及2 m 開孔考度，實際確定切頂高度為25.06 m。

圖3 Ⅵ02 地質鉆孔Fig.3 VI02 geological drilling

2.4 兩順槽爆破切頂方案

爆破參數(shù)包括炮孔深度、炮孔間距、起爆方式等。

（1）炮孔直徑?？紤]爆破效果、施工機具以及鉆眼工程量等因素，確定預裂爆破的炮孔直徑為50～55 mm，可根據(jù)機具情況適當調整，鉆孔直徑應為PE 管外徑的1.2～1.3 倍。

（2）炮孔深度。如前所述，為了保證切頂卸壓效果，切頂?shù)母叨葢M入煤層頂板的主關鍵層，綜合考慮巖層厚度變化、開孔位置等，實際切頂高度為25.06 m，鉆孔深度根據(jù)切頂高度、鉆孔傾角和煤層傾角確定。

（3）炮孔間距。綜合考慮應力波疊加作用、頂板巖性及深孔預裂爆破等因素，借鑒深孔預裂爆破工程經驗，炮孔孔底間距不超過10 m。

（4）封孔長度。為保證安全及爆破效果，封孔長度應大于爆破孔長度的30%。

（5）裝藥結構。合理的裝藥結構能夠避免拒爆、殉爆發(fā)生，提高爆破效果。此次采用單雷管引爆，一次起爆的所有雷管采用同一段別，孔內均采用并聯(lián)連接，孔間采用串聯(lián)連接。采用3 m 長的PE 管作為載體，PE 管之間不需要連接，每根PE管內裝1 列10 卷炸藥。

綜上分析，此次設計的鉆孔布置詳情如圖4 及表1。

表1 22116 工作面兩巷深孔預裂爆破參數(shù)Table 1 No.22116 Face two roadway deep hole pre-splitting blasting parameters

圖4 鉆孔布置示意Fig.4 Borehole layout

3 應用效果分析

在22116 工作面對應221 下山范圍內每間隔50 m 設置1 個測站，共計5 組，每周觀測3 次，巷道變形速度較快時，相應增加觀測次數(shù)；變形穩(wěn)定后，減少至每周1～2 次。在22116 工作面停采后，得到軌道下山圍巖變形曲線如圖5 所示。

圖5 軌道下山表面位移量監(jiān)測結果Fig.5 Monitoring results of surface displacement of track downhill

工作面停采約2 個月后，巷道表面變形量基本保持不變，兩幫變形量增幅為20～30 mm，頂?shù)装逶龇鶠?0～45 mm，整體變化量很小，采動壓力對采區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響明顯減小，此卸壓方式能夠很好滿足維護采區(qū)下山的需要。

4 結 語

針對焦家寨礦采區(qū)巷道在回采工作面采動影響下圍巖控制問題，基于22116 工作面實際地質條件，通過理論分析、工程類比、礦壓監(jiān)測等方法進行切頂卸壓。22116 工作面采用爆破預裂切頂卸壓技術，切頂位置與停采線的距離為20 m，切頂目標巖層為9.68 m 的粗粒砂巖主關鍵層，設計炮孔深度、炮孔直徑、炮孔間距等具體參數(shù)。22116 工作面進行爆破預裂切頂卸壓后，采取軌道下山在采動影響下兩幫移近量增幅為20～30 mm，頂?shù)装逶龇鶠?0～45 mm，巷道圍巖穩(wěn)定性良好，保護了采區(qū)巷道，滿足礦井安全生產的需要。