大采高厚堅硬頂板爆破切頂卸壓技術(shù)的應(yīng)用研究

田文兵

（沁和能源集團有限公司，山西 晉城 048200）

在大型礦井中，特厚煤層的大采高開采引起的礦壓顯現(xiàn)問題給礦井安全和高效開采帶來了巨大的困難。因此，研究大采高厚堅硬頂板巷道定向爆破切頂卸壓技術(shù)在大型煤礦中的應(yīng)用具有重要的理論意義和實際價值。

沁和能源集團端氏煤礦為典型的厚層堅硬頂板地質(zhì)條件，在生產(chǎn)過程中堅硬頂板滯后斷裂，容易形成采空區(qū)懸板等動力災(zāi)害。另外，采空區(qū)遺留煤柱及火成巖和含礫砂巖頂板賦存條件，易導(dǎo)致特厚煤層開采中的強礦壓顯現(xiàn)，影響生產(chǎn)安全性。針對端氏煤礦回采巷道的堅硬頂板，研發(fā)超高壓水力切頂技術(shù)，實現(xiàn)對堅硬頂板的定向水力切縫，并輔以靜態(tài)膨脹技術(shù)增加切縫深度，達到對回采巷道的堅硬頂板切頂卸壓、保證采面高效安全生產(chǎn)的目的。但是，超高壓水力切頂技術(shù)施工難度大，成本較高，深孔定向爆破切頂技術(shù)具有施工成本低、施工設(shè)備簡單、可定向等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。

以端氏煤礦3113 工作面為工程背景，針對3113 回風(fēng)巷存在初次垮落步距大、巷道變形大、支護難度大等問題，對其實施爆破切頂卸壓，確定了切頂角度、切頂卸壓深度、裝藥段長度、封孔段長度、孔間距等爆破參數(shù)，并探究定向爆破切頂卸壓過程及效果。

1 工程概況

沁和能源集團有限公司端氏煤礦位于山西省沁水縣端氏鎮(zhèn)，井田面積9.403 1 km2，可采儲量3 576.8 萬t，生產(chǎn)能力120 萬t/a。礦井采用斜井開拓方式開采3 號煤層，投產(chǎn)初期布置3 個井筒，即原主斜井、原副斜井和原回風(fēng)立井，生產(chǎn)后期補打一個回風(fēng)立井。主斜井寬4.20 m，斜長577 m，承擔(dān)主提升和進風(fēng)任務(wù)，兼作安全出口；副斜井寬4.10 m，斜長622 m，擔(dān)負(fù)全礦井的輔助提升和進風(fēng)任務(wù)，兼作安全出口；回風(fēng)立井直徑4.00 m，垂深304.3 m，擔(dān)負(fù)礦井初期回風(fēng)任務(wù)和后期進風(fēng)任務(wù)；后期增補回風(fēng)立井直徑6.00 m，垂深490 m，承擔(dān)后期回風(fēng)任務(wù)。

端氏煤礦3113 工作面位于一盤區(qū)，主要開采3號煤層，井下標(biāo)高164.9～210.57 m，平均埋深603 m，煤層平均厚度為6.1 m，煤層平均傾角為5°。直接頂為2.89 m 厚的砂質(zhì)泥巖，灰黑色，薄層狀，巖心完整，f=4.6；基本頂為7 m 厚的細(xì)粒砂巖/砂質(zhì)泥巖，淺灰色，中厚層狀，成分以石英、長石為主，含泥質(zhì)條帶，f=7.8，為堅硬類巖石；直接底為9.38 m 厚的砂質(zhì)泥巖/粉砂巖，灰色及深灰色，含植物化石，水平層理。

3113 回風(fēng)巷斷面為矩形，凈寬5.5 m，凈高3.5 m，巷長1155 m，沿煤層頂板掘進，采用“錨索+鋼帶+錨桿”聯(lián)合支護，支護參數(shù)如圖1。錨索規(guī)格為Ф17.8 mm×6200 mm，托盤為300 mm×300 mm×11 mm，MSZ23/55 型 樹 脂 錨 固；W 鋼 帶500 mm ×100 mm ×18 mm，厚度3～5 mm，寬度180～320 mm；頂錨桿Ф20 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，錨桿排距為900 mm，間距為800 mm；幫錨桿頂部Ф20 mm×2400 mm，排距為900 mm，間距為900 mm；其余為18 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿[1]。

圖1 3113 回風(fēng)巷斷面支護（mm）

3113 工作面回風(fēng)巷采用高強度錨桿與錨索聯(lián)合支護，但是在生產(chǎn)過程中整體支護效果不佳，無法有效控制巷道圍巖的強烈變形。巷道在工作面回采時出現(xiàn)失穩(wěn)，出現(xiàn)大的變形破壞，煤柱及煤壁幫向巷道內(nèi)擠壓凸出，凸出長度分別可達465 mm、405 mm，引發(fā)兩幫擠壓流動失穩(wěn)，巷道不對稱破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，頂板變形大下沉嚴(yán)重，W 鋼帶破壞及拉斷現(xiàn)象嚴(yán)重，嚴(yán)重影響工作面開采安全，必須要針對性采取改進措施，保證煤礦開采的安全進行。大采高厚堅硬頂板爆破切頂卸壓技術(shù)是一種利用爆破能量切割和破碎頂板的技術(shù)。通過合理的爆破設(shè)計和參數(shù)控制，使爆炸能量集中在頂板上，實現(xiàn)對頂板的切割和破碎，以減輕頂板的壓力和提高采空率[2]。

2 爆破切頂卸壓作用機理分析

2.1 爆破切頂卸壓作用機理

大采高堅硬頂板爆破切頂卸壓示意圖如圖2。從圖中可知，當(dāng)大采高堅硬頂板基本頂斷裂后變成A、B 兩塊體，斷裂后的塊體B 搭落在煤柱上方，B 塊體組回轉(zhuǎn)下沉過程發(fā)生擠壓，導(dǎo)致巷道發(fā)生嚴(yán)重變形。確定預(yù)爆破切頂位置，對靠近采空區(qū)煤柱側(cè)實施爆破切頂，頂板斷裂后的B 塊體會沿預(yù)裂切頂線自動切落成B1和B2部分。B1塊體在煤壁及頂板巖層支撐下減輕煤柱應(yīng)力集中，B2塊體滑落失穩(wěn)減輕煤柱承載基本頂質(zhì)量，B1塊體無旋轉(zhuǎn)下沉沒有產(chǎn)生對煤柱擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力集中，減少煤柱所受載荷[3]。

圖2 爆破切頂卸壓斷裂結(jié)構(gòu)示意圖

堅硬頂板實施爆破切頂卸壓后，可有效減小工作面基本頂初次來壓步距和周期來壓步距，減弱了初次來壓強度和周期來壓強度，也有利于巷道圍巖變形控制。

2.2 可行性分析

端氏煤礦為大采高厚層堅硬難冒頂板條件，隨著進入下部石炭系開采以來，特厚煤層（14～20 m）綜放開采、大煤柱（38 m）條件下，臨空動壓開采遠(yuǎn)場結(jié)構(gòu)失穩(wěn)強烈，回轉(zhuǎn)運動對臨空巷道產(chǎn)生沿巷道斷面徑向擠壓力，支架安全閥頻繁開啟，工作面超前150 m 范圍內(nèi)臨空側(cè)巷道出現(xiàn)變形、破壞[4]，多種措施的預(yù)防治理效果都不太理想。

根據(jù)特厚煤層巖層運動規(guī)律，遠(yuǎn)場關(guān)鍵層的破斷對于臨空巷道的變形有著巨大的影響，是造成臨空側(cè)巷道變形的主要原因。因此，只有遠(yuǎn)場配合定向預(yù)裂卸壓，才能有效抑制強礦壓顯現(xiàn)，并解決因頂板大面積破斷造成瓦斯不均衡涌出及瓦斯超限的難題[5]。

大采高厚堅硬頂板爆破切頂卸壓技術(shù)適用于煤礦中存在高厚頂板問題的工作面。從端氏煤礦地質(zhì)條件、煤層厚度、開采方法等因素考慮，該技術(shù)在一定程度上可以改善頂板穩(wěn)定性、降低頂板壓力，并提高開采效果和安全性。

3 爆破切頂卸壓數(shù)值模擬研究

為了進一步驗證大采高厚堅硬頂板爆破切頂卸壓技術(shù)的有效性，進行了數(shù)值模擬研究，介紹了數(shù)值模擬的方法和原理，包括模擬軟件的選擇和模型建立的步驟；然后詳細(xì)描述了模型的參數(shù)設(shè)置和邊界條件等；最后分析模擬結(jié)果，并與實際應(yīng)用效果進行對比和驗證，以驗證技術(shù)的可行性和優(yōu)勢。為有效解決端氏煤礦3113 大采高厚堅硬頂板巷道圍巖變形控制問題，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同爆破切頂角度下覆巖垮落形態(tài)和煤柱應(yīng)力大小進行研究。

3.1 模型建立

根據(jù)端氏煤礦工程地質(zhì)條件，利用FLAC3D建立基本計算模型進行數(shù)值模擬研究[6]。選用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型，模型尺寸280 m×220 m。對模型表面施加均布載荷，形成應(yīng)力邊界條件，左、右和下表面均為零位移邊界條件。塊體煤巖和節(jié)理面煤巖力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

表2 節(jié)理面煤巖力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

針對3113 工作面現(xiàn)場的實際情況，設(shè)置了6 組數(shù)據(jù)進行FLAC3D模擬試驗[7]，6 組模擬數(shù)據(jù)分別為未切頂和切頂30°、45°、60°、75°、90°。主要是模擬6 種狀態(tài)下的覆巖垮落形態(tài)情況以及煤柱應(yīng)力大小情況。該模擬結(jié)果可為3113 工作面現(xiàn)場定向爆破切頂卸壓的實施提供技術(shù)指導(dǎo)。

3.2.1 覆巖垮落形態(tài)分析

模擬定向爆破切頂卸壓，在不同切頂角度下（未切頂和切頂30°、45°、60°、75°、90°）覆巖垮落形態(tài)的結(jié)果如下：1）與未切頂對比分析可知，切頂（30°、45°、60°、75°、90°）狀態(tài)下巷道煤柱幫變形明顯變小，巷道變形表現(xiàn)為對稱性；而在未切頂下煤柱幫變形非常明顯的大于實體煤幫，巷道變形表現(xiàn)出不對稱性。2）當(dāng)切頂角度從30°增大至90°過程中，隨著切頂角度的增大，基本頂破斷垮落效果呈現(xiàn)為先變好后變差趨勢。當(dāng)切頂角度為60°時，垮落量充分且巷道煤柱幫變形量較小，此時切頂卸壓最佳。

3.2.2 煤柱應(yīng)力分析

模擬爆破切頂卸壓，在不同切頂角度下（未切頂和切頂30°、45°、60°、75°、90°）6 組不同試驗時的煤柱應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.91、1.88、1.76、1.55、1.73、1.83，煤柱應(yīng)力集中系數(shù)呈現(xiàn)為先減小后增大趨勢。當(dāng)切頂角度為60°時，煤柱應(yīng)力集中系數(shù)最小為1.55，此時對應(yīng)的應(yīng)力峰值為16.4 MPa；對比未切頂時的煤柱應(yīng)力集中系數(shù)為1.87，對應(yīng)的應(yīng)力峰值為20.8 MPa，應(yīng)力峰值對比降低了23.1%，切頂效果較好。

綜上，從模擬分析結(jié)果可知，3113 大采高厚堅硬頂板實施定向爆破切頂最佳切頂角度可確定為60°，切頂效果最佳。

4 爆破切頂卸壓的工業(yè)性試驗

4.1 爆破參數(shù)設(shè)計

根據(jù)模擬研究結(jié)果，切頂角度60°，巷道上方至基本頂巖層垂高23.1 m，確定切頂卸壓深度為26.9 m，裝藥段長度14.7 m，封孔段長度12.2 m，孔間距0.5 m。3113 工作面爆破切頂鉆孔布置如圖3。

圖3 3113 工作面爆破切頂鉆孔布置示意圖（m）

4.2 爆破切頂設(shè)計方案與現(xiàn)場施工

現(xiàn)場采用BTC-1500 型雙向爆破聚能管（外徑42 mm）裝藥[8]，單根聚能管長度2 m，共10 根，爆破采用二級煤礦許用水膠炸藥，炸藥規(guī)格Ф27 mm×350 mm/卷，單孔裝藥量240 kg，炮泥封孔，長度12.2 m。裝藥流程如圖4。

圖4 3113 工作面爆破切頂裝藥流程示意圖

4.3 爆破切頂卸壓效果分析

4.3.1 爆破鉆孔窺視分析

為掌握爆破后炮孔附近巖體中爆破孔及導(dǎo)向孔的裂隙發(fā)育程度和爆破效果，采用YTJ20 型巖層探測記錄儀對（1#、2#）2 個爆破孔、（3#、4#）2 個導(dǎo)向孔及其圍巖裂紋發(fā)育進行記錄。

通過對2 個導(dǎo)向孔和2 個爆破孔的窺視圖像分析，實施爆破切頂卸壓后的鉆孔規(guī)律如下：1）爆破后孔壁上裂紋顯著增多，出現(xiàn)明顯的縱向裂紋，方向與切割走向切縫方向一致；另外還觀察到存在縱向和環(huán)向裂紋交織情況，并伴隨有塌孔發(fā)生，巖石松動破碎。2）爆破后，在導(dǎo)向孔孔壁上也觀察到明顯裂紋，方向與切割走向切縫方向一致。在3113 工作面實施定向爆破切頂卸壓施工效果理想。

4.3.2 巷道變形監(jiān)測效果分析

實施爆破切頂卸壓后，在3113 膠帶順槽設(shè)置3個觀測點，對巷道表面頂板下沉、底鼓、幫部巷內(nèi)移近變形、墻體巷內(nèi)移近變形進行觀測。相鄰兩測點間距80 m，超前工作面80 m 布置1#測站測點。巷道變形觀測結(jié)果如圖5。

圖5 切頂卸壓后3113 回風(fēng)巷表面變形觀測結(jié)果

從圖5 數(shù)據(jù)可知，煤柱幫、頂板、煤壁、底板的最大變形量分別為169.4 mm、122.5 mm、113.3 mm、74.5 mm，巷道圍巖變形量整體較小，巷道完整性較好。對比爆破切頂卸壓前，巷道變形量大幅度降低，巷道圍巖得到有效控制。

5 結(jié)論

對大采高厚堅硬頂板實施爆破切頂卸壓及端氏煤礦3113 工作面進行定向爆破切頂卸壓的可能性進行了分析，以端氏煤礦3113 工作面為研究對象進行爆破切頂卸壓應(yīng)用研究。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件確定定向爆破切頂卸壓的最佳切頂角度60°，在60°實施爆破切頂卸壓后應(yīng)力集中系數(shù)減小為1.55，對應(yīng)的應(yīng)力峰值降低至16.4 MPa，應(yīng)力峰值降低比例達23.1%。對3113 工作面定向爆破施工參數(shù)進行了設(shè)計，闡述爆破切頂設(shè)計方案與現(xiàn)場施工方案。鉆孔窺視結(jié)果表明：爆破后孔壁上的裂紋顯著增多，與預(yù)期一致。巷道表面位移觀測結(jié)果表明：煤柱幫、頂板、煤壁、底板最大變形量分別為169.4 mm、122.5 mm、113.3 mm、74.5 mm，巷道圍巖變形量整體較小，巷道完整性好，巷道圍巖得到有效控制。