工作面切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)可行性研究

周獻(xiàn)惠，陳玉龍

（1.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)保安煤業(yè)有限公司，山西 陽泉 045000；2.晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院（太原）科技公司，山西 太原 030000）

1 15110 工作面概述

保安煤礦位于陽泉市西部，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.5 Mt/a，礦井內(nèi)目前布置1 個(gè)綜采工作面，即15110綜采工作面。工作面呈南北方向布置，工作面內(nèi)布置有進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、高抽巷、底抽巷。東邊是15108 工作面采空區(qū)，西邊是15112 未采工作面，南側(cè)是井田邊界，北邊靠近15 號(hào)煤皮帶大巷。

15110 工作面回采煤層為15 號(hào)煤層，煤層平均厚度約4 m；頂板為K2 石灰?guī)r，底板為泥巖及砂質(zhì)泥巖。根據(jù)以往情況，采煤工作面在停采時(shí)，采用80 m寬的大巷保護(hù)煤柱?；夭珊蟠笙锼懿蓜?dòng)壓力仍然較大，巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量均較大，且返修工作量大。為了改善此情況，盡量減小大巷保護(hù)煤柱的寬度及大巷受采動(dòng)壓力的影響，決定采用切頂卸壓的方法來實(shí)現(xiàn)[1-3]。

切頂卸壓保護(hù)大巷，即在15110 工作面進(jìn)風(fēng)順槽與回風(fēng)順槽采用爆破的方式切斷工作面與大巷之間上方頂板的力學(xué)聯(lián)系，使工作面內(nèi)的采動(dòng)壓力主要向上方更深的地方轉(zhuǎn)移，減小工作面采動(dòng)應(yīng)力影響范圍和采動(dòng)應(yīng)力大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面前方大巷的保護(hù)作用，減小巷道變形量，延緩巷道維修周期，為礦井長期正常與安全生產(chǎn)提供保障[4-5]。

2 切頂卸壓的必要性和方式選擇

2.1 切頂卸壓的必要性

15 號(hào)煤層工作面采用帶區(qū)式布置，大巷位于井田傾向中央，回采工作面位于大巷的南北兩側(cè)，生產(chǎn)中存在以下實(shí)際問題：

1）礦井煤層埋藏深，大多在600 m 以上，地應(yīng)力大，同時(shí)井田內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，二者共同產(chǎn)生了較大的地應(yīng)力。根據(jù)在軌道斜巷的地應(yīng)力測(cè)試，最大水平主應(yīng)力32.26 MPa，最小水平主應(yīng)力17.27 MPa。

2）煤層本身及煤層頂?shù)装鍙?qiáng)度均較低，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f 為0.67，頂板抗壓強(qiáng)度49.3 MPa，底板抗壓強(qiáng)度54.4 MPa，煤與巖石的承載能力低。

3）大巷兩側(cè)的回采工作面在回采結(jié)束后對(duì)大巷產(chǎn)生很大的采動(dòng)影響，礦井已采工作面所對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的大巷變形嚴(yán)重，長期返修。預(yù)計(jì)15110 工作面回采后依然會(huì)對(duì)所對(duì)應(yīng)部分的大巷造成嚴(yán)重破壞。

為減小礦井大巷所承受的支承壓力，防止大巷受15110 工作面采后壓力影響，所以提出對(duì)該工作面頂板采取切頂卸壓措施，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面大巷的保護(hù)。

2.2 切頂卸壓方式選擇

目前，工作面頂板切頂卸壓逐漸成為減輕巷道所受動(dòng)壓影響的重要技術(shù)手段，其方式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(nèi)應(yīng)用最為廣泛的卸壓技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于沖擊地壓防治、煤與瓦斯突出防治、堅(jiān)硬頂板放頂?shù)阮I(lǐng)域。爆破卸壓法施工工藝相對(duì)簡單，自動(dòng)化水平低，所需施工設(shè)備數(shù)量少，切頂施工成本費(fèi)用低，但是對(duì)于穩(wěn)定軟巖巷道或高瓦斯礦井采用爆破切頂卸壓時(shí)，會(huì)對(duì)巷道產(chǎn)生震動(dòng)破壞。

水力壓裂技術(shù)利用水壓作用使圍巖產(chǎn)生裂隙，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于高瓦斯礦井瓦斯抽采、采空區(qū)處理等領(lǐng)域中，水力壓裂技術(shù)施工時(shí)可人工控制預(yù)裂范圍，預(yù)裂精度高，但是在施工過程中安裝設(shè)備數(shù)量多、工序復(fù)雜且施工成本費(fèi)用高。

考慮爆破切頂卸壓相對(duì)較為成熟，能夠保證定向預(yù)裂效果，確定采用爆破預(yù)裂切頂卸壓。

3 切頂施工技術(shù)參數(shù)

3.1 超前支承壓力監(jiān)測(cè)

在15110 工作面回采過程中，用煤柱應(yīng)力計(jì)在其回風(fēng)順槽監(jiān)測(cè)超前應(yīng)力，整理得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1所示。

由圖1 可得，工作面超前應(yīng)力距煤壁小于100 m的范圍內(nèi)應(yīng)力變化較大，所以在工作面到大巷的距離在100 m 以上時(shí)就切斷頂板，此時(shí)超前應(yīng)力對(duì)大巷的影響最小，從而對(duì)大巷達(dá)到最好的保護(hù)效果。

3.2 工作面停采位置與切頂位置確定

根據(jù)15 號(hào)煤層頂?shù)装遒x存情況，通過FLAC3D模擬軟件，分別模擬切頂和不切頂條件下的應(yīng)力分布情況，針對(duì)切頂和不切頂條件下的應(yīng)力、位移分布情況進(jìn)行對(duì)比分析，研究不同切頂高度下巷道變形情況，從而為切頂高度提供參考依據(jù)。

3.2.1 不切頂模擬分析

在不同停采煤柱寬度條件下，模型計(jì)算至穩(wěn)定后所得到的垂直應(yīng)力分布云圖如圖2 所示。

圖2 預(yù)留不同寬度停采煤柱圍巖內(nèi)部應(yīng)力（Pa）分布曲線圖

從圖2 中可以看出，在停采煤柱靠近采空區(qū)內(nèi)10 m 左右出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且隨著煤柱寬度的減小，巷道周邊圍巖應(yīng)力逐步增加。從不切頂條件下垂直應(yīng)力分布圖中可以看出，在保安煤業(yè)的地層條件下15 號(hào)煤層的原巖應(yīng)力約為20.4 MPa。在采空區(qū)側(cè)一段距離內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.2.2 切頂條件下模擬結(jié)果分析

通過對(duì)巷道變形量的監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)停采煤柱寬度小于80 m 時(shí)，巷道變形量開始迅速增大，因此選擇在停采煤柱為80 m 時(shí)進(jìn)行切頂卸壓模擬。本次模擬25 m、40 m 兩種切頂高度，對(duì)比不同切頂高度對(duì)緩解采空區(qū)超前應(yīng)力對(duì)大巷影響的效果，如圖3 所示。

圖3 不同切頂高度對(duì)緩解采空區(qū)超前應(yīng)力（Pa）對(duì)大巷影響的效果

從圖3 的垂直應(yīng)力分布云圖可以看出，切頂后停采煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中得到有效緩解，大巷圍巖應(yīng)力環(huán)境有所改善，其中巷道頂板壓力顯著減小。

通過測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)皮帶大巷與回風(fēng)大巷在不同煤柱寬度中的受力情況，隨著煤柱寬度的減小，巷道變形量逐漸增大，且發(fā)現(xiàn)回風(fēng)大巷與皮帶大巷所處位置存在高度差，巷道變形曲線不同，對(duì)比垂直應(yīng)力分布云圖發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)超前應(yīng)力在工作面以下的影響范圍要更大。

在工作面停采線煤柱內(nèi)切頂后，工作面內(nèi)的壓力會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，煤柱上方的支承壓力和液壓支架的工作阻力會(huì)增大。為避免切頂后的大面積懸頂作用于支架，因此需要保留一定的安全煤柱距離，該距離一般為15～30 m。該切頂鉆孔在15 號(hào)煤南翼回風(fēng)大巷內(nèi)施工，為了縮小鉆孔長度，切頂線需靠近南翼回風(fēng)大巷，切頂線至煤壁之間的煤柱寬度設(shè)為30 m。

4 爆破切頂施工方案

在15110 進(jìn)、回風(fēng)順槽與15 號(hào)煤南翼回風(fēng)大巷分別施工鉆孔，終孔位置為K4 灰?guī)r上邊界。

4.1 炮孔布置位置及間距

1）順槽切頂炮孔：在15110 進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽各施工8 個(gè)鉆孔，頂板與回采幫各4 個(gè)。幫部最下部的鉆孔距巷道底板2 m，往上依次施工鉆孔，孔間距0.5 m，巷道頂部第1 個(gè)鉆孔距幫部0.5 m，以孔間距0.5 m 依次布孔。

2）南翼回風(fēng)大巷炮孔：在15 號(hào)煤南翼回風(fēng)大巷內(nèi)施工傾斜向上的炮孔，所有炮孔方位角為180°，開孔位置位于15 號(hào)煤南翼回風(fēng)大巷南幫，底板以上3 m。該大巷內(nèi)布置炮孔50 個(gè)，最西邊的鉆孔距15 號(hào)煤南翼回風(fēng)大巷坡度為18°44′的一段的東側(cè)末端2 m?？拷叱橄锏? 個(gè)鉆孔終孔位置距高抽巷大約10 m。

3）炮孔間距：綜合考慮鉆孔施工量、裝藥密度、應(yīng)力波疊加作用、頂板巖性及聚能管結(jié)構(gòu)特征等因素，根據(jù)公式計(jì)算得爆破半徑為1.16 m，炮孔間距應(yīng)大于等于2 倍爆破半徑，即2.32 m。實(shí)際打孔過程中可能發(fā)生鉆桿偏斜及巖石裂隙發(fā)育變化，鉆孔間距留有一定的富余量，在順槽內(nèi)布置的炮孔間距取5 m，15 號(hào)煤南翼回風(fēng)大巷內(nèi)的炮孔間距取3 m。

4.2 裝藥方式

1）封孔長度：爆破預(yù)裂鉆孔采用水炮泥封孔時(shí)封孔長度不低于鉆孔總長的1/3；同時(shí)為保證爆破不會(huì)破壞15 號(hào)煤南翼回風(fēng)大巷，封孔段長度不小于15 m。炮孔全部采用黃泥封孔，或者采用“兩堵一注”的方式封孔，封孔要封實(shí)但不得過緊，不得損傷雷管腳線。

2）裝藥結(jié)構(gòu)：為了確保炮眼內(nèi)炸藥的完全引爆，每段采用單雷管引爆，一次起爆的所有雷管采用同一段別，孔內(nèi)均采用并聯(lián)連接，孔間采用串聯(lián)連接。采用2 m 長的聚能管為載體，每根聚能管即為1 段，線裝藥密度約為1.67 kg/m，采用徑向不偶合連續(xù)裝藥，每段聚能管下端裝1 個(gè)雷管，正向裝藥。

4.3 爆破方式及順序

1）該切頂在15 號(hào)煤南翼回風(fēng)大巷內(nèi)與15110進(jìn)、回風(fēng)順槽進(jìn)行，能提前完成切頂，故切頂距回采工作面距離較遠(yuǎn)，對(duì)回采工作影響較小。根據(jù)裝藥、聯(lián)線、封孔等主要工序所需時(shí)間，考慮一定的爆破安全系數(shù)，一次最大起爆藥量可取150～200 kg，一次起爆的孔實(shí)施外串聯(lián)爆破。

2）進(jìn)風(fēng)順槽內(nèi)的炮孔編號(hào)為1 號(hào)、2 號(hào)、…、8 號(hào)，回風(fēng)順槽內(nèi)的炮孔編號(hào)為A 號(hào)、B 號(hào)、…、H 號(hào)。進(jìn)風(fēng)順槽內(nèi)的炮孔爆破順序?yàn)? 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)、3 號(hào)、2 號(hào)、1 號(hào)，回風(fēng)順槽內(nèi)的炮孔爆破順序?yàn)镠 號(hào)、F 號(hào)、G 號(hào)、D 號(hào)、E 號(hào)、C 號(hào)、B 號(hào)、A 號(hào)。15 號(hào)煤南翼回風(fēng)大巷的炮孔爆破可由進(jìn)風(fēng)順槽向回風(fēng)順槽進(jìn)行，也可由回風(fēng)順槽向進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)行。

5 結(jié)語

截至2021 年12 月3 日，15110 綜采工作面已回采結(jié)束，停采線與大巷之間預(yù)留保安煤柱寬度為80 m，通過對(duì)工作面采取爆破切頂卸壓后，工作面回采應(yīng)力通過回撤通道提前釋放，削弱了應(yīng)力對(duì)保安煤柱及大巷圍巖產(chǎn)生的破壞作用，通過后期觀察發(fā)現(xiàn)，工作面回采后大巷圍巖未出現(xiàn)頂板破碎、幫部垮落、底鼓等現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用效果表明，采用切頂卸壓技術(shù)能夠?qū)Υ笙飮鷰r起到保護(hù)作用，具有可行性。