高地應力復合頂板條件下切頂卸壓護巷技術研究

摘? 要：文章研究切頂卸壓主體設計，建立傾斜厚煤層切頂卸壓護巷的力學模型;提出傾斜厚煤層切頂卸壓護巷方案;通過深孔定向爆破，在切斷工作面頂板與周圍頂板的應力傳遞，最大程度的削減周圍巖層對預留巷道頂板的破壞，深孔預裂爆破保護頂板的完整性，達到切頂卸壓護巷效果。解決工作面鄰面接替相鄰巷道受二次動壓影響制約生產難題，同時為新工藝、新技術在煤礦安全生產活動中的推廣和使用提供可靠的依據。

關鍵詞：高地應力復合頂板;切頂卸壓;護巷技術

中圖分類號：TD353? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

1 研究的目的和意義

煤炭目前是我國國民生產主要能源，隨著煤炭資源的逐步減少，今后煤礦開采重點將轉向埋藏深，開采條件相對困難的高地應力區(qū)域。我國現(xiàn)有煤礦開采方式90%為長壁式開采，以往留煤柱開采過程中巖層斷裂引起圍巖力學疊加和擾動，破壞頂板并且造成集中應力現(xiàn)象，是造成瓦斯積聚、冒頂、火災等事故的根本因素，且由于順槽煤柱的存在，將多丟煤至少8%，多掘順槽巷道50%。

采動引起的采區(qū)附近巷道壓力增大、巷道變形等因素嚴重阻礙煤礦的安全高效生產，隨著煤炭資源的減少和開采難度的增加，切頂卸壓無煤柱開采技術逐漸被眾多煤礦推廣應用，其核心步驟如：（1）利用恒阻錨索對巷道頂板加強支護，以保證隨后預裂頂板，切頂時不影響巷道質量。（2）利用切縫鉆機施工爆破鉆孔，聚能爆破裝置超前預裂頂板，在頂板形成預裂縫。（3）利用礦山壓力在采場周期來壓時頂板預裂縫自動實現(xiàn)沿空切頂，將頂板切落下來，從而達到保護相鄰巷道的目的。

將切頂卸壓技術用于治理采空區(qū)附近巷道變形，經過切頂的巷道變形增速較慢，變形量明顯減少，不僅達到了治理巷道變形的目的，還具有經濟、高效、施工方便簡單的特點。因此，采用并推廣切頂卸壓護巷技術將是煤炭資源可持續(xù)發(fā)展的重要方向，同事也是解決煤礦頂板災害事故的有效手段。

2 研究主要技術參數

2.1 頂板深孔預裂定向切縫原理

在爆破炮孔中采用定向聚能裝置進行裝藥，并使聚能方向對準斷裂方向。起爆后，沖擊波和應力波優(yōu)先沿設定方向集中釋放，在炮孔壁上形成和聚能孔方向一致的初始裂縫。爆生氣體大量、快速涌入徑向初始裂縫，在設定方向產生拉應力集中，斷裂巖體，實現(xiàn)頂板深孔預裂切縫。

2.2 深孔預裂爆破原理

采用定向聚能爆破預裂技術，將特定規(guī)格的煤礦許用炸藥裝在兩個設定好方向有聚能管中;起爆后，炮孔周圍的圍巖在非設定方向上受壓，而在設定方向上集中受拉，利用巖石抗壓怕拉的性質，使巖石按設定方向拉裂成縫造成破壞，從而實現(xiàn)被爆破巖體按設定方向斷裂成型，到達切縫的目的。

2.3 爆破預裂深度的確定

（1）通過以往切頂卸壓綜合數據分析，更合理的確定預裂切縫深度（H縫）設計一般大于2.6倍采高，即H縫≥2.6H煤，按煤層厚度4.5m計算，H縫=11.7m。

（2）深孔預裂切縫鉆孔深度與采高、煤層頂板下沉量及巷道底鼓量有關，一般通過如下方程式計算：

式中：ΔH1：頂板下沉量，m;ΔH2：底鼓量，m;k：碎脹系數，1.3～1.5。

根據頂板巖性，考慮到上部巖層為粉砂巖和中砂巖整體，K取值1.4，在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，工作面煤層厚度H煤為4.5m時，計算得H縫=11.7m。

（3）綜合分析上述計算結果，同時參照本地區(qū)鉆孔柱狀圖巖層狀況并考慮到切縫鉆孔的傾斜在豎直方向切頂的減少量，預裂切縫孔深度設計為H縫=13.0m。

2.4 頂板預裂爆破鉆孔施工要求

（1）參照設計的要求，以巷道中心線為基準，沿回采側巷道頂板標出各鉆孔位置，并且所有鉆孔必須布置在一條直線上，鉆孔間距 不大于600mm。（2）調整定向鉆眼鉆機的位置，使鉆機鉆臂（即鉆桿）在三維空間上與水平面成 75°夾角，與上述鉆孔連線垂直;（3）使用Ф48mm的專用鉆頭，按照上述角度，在巷道頂板鉆孔標注位置，進行鉆進施工，鉆進深度為 13000mm，確保操作鉆機準確，保證成孔的平直度，以確保爆破效果完好。

2.5 頂板深孔預裂切縫爆破施工主要工藝流程

頂板深孔預裂切縫爆破采用專利化聚能拉張切縫爆破法，具體工藝流程如：（1）在施工完的爆破鉆孔中安裝外徑42mm，內徑36.5mm，BTC-1500型聚能管，每節(jié)管長1500mm，每鉆孔安裝7根聚能管，聚能管捅到孔底。（2）在聚能管中放置煤礦許用三級乳化炸藥，經反復試驗得出最佳裝藥量為每孔13個卷藥，藥包長300mm，外徑Ф30mm。每個聚能炮孔在裝藥前，先在巷道內按照爆破裝藥設計參數從孔底聚能管開始依次裝藥，并安設雷管和引線，然后將引線穿過第二根聚能管，并將第二根聚能管與第一根聚能管用專用卡件連接，然后在第二根管內開始連續(xù)裝藥并安設引線，依次重復按照上述辦法，完成全部聚能管裝藥工作，每個聚能管設置一個雷管，未裝藥聚能管則不需雷管。（3）孔口用炮泥封孔，封孔長度不小于2500mm。（4）按照煤礦安全施工操作規(guī)程規(guī)定設置安全放炮距離，組織爆破工作。

3 研究的思路及方法

3.1 研究方法

（1）文獻資料法。利用互聯(lián)網、閱覽室等廣泛查閱相關的文獻資料，加以分析與研究。在對工程地質條件充分研究的基礎上，分析巷道頂板各巖層力學性質，提出傾斜厚煤層切頂卸壓護巷方案。（2）實踐調查法。在已有切頂卸壓護巷實驗研究的基礎上，進行現(xiàn)場爆破參數試驗，提出厚煤層切頂卸壓護巷施工工藝，并進行現(xiàn)場工程應用。

3.2 實施路線

（1）研究的總體思路：研究切頂高度、切頂角度、炮孔間距等關鍵參數的作用機理，在對工程地質條件充分研究的基礎上，分析巷道頂板各巖層力學性質，結合力學分析、數值模擬等方法對巷道及采場圍巖變形、受力特征進行研究;（2）確定研究課題：高地應力復合頂板條件下切頂卸壓護巷技術研究與應用;（3）制定研究計劃：實地考察，聯(lián)系科研單位，制定可行性方案等;（4）研究結果及其反饋：收集各類反饋意見，撰寫相關研究論文報告，完善研究成果。

4 取得的主要成果

（1）研究切頂卸壓主體設計，建立傾斜厚煤層切頂卸壓護巷的力學模型;提出傾斜厚煤層切頂卸壓護巷方案;通過預裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，減弱巷道頂板壓力，預裂爆破保護好頂板完整性，達到切頂卸壓護巷效果。（2）頂板深孔預裂爆破技術是在對比研究多種聚能爆破和定向爆破方法的基礎上發(fā)展起來的一種新型聚能定向爆破施工技術，此工藝簡單、實用，應用時只需要在預裂線上施工爆破孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向對應于巖體預裂方向。爆炸后的告訴氣體將在兩個設定方向上形成聚能流，并產生極大的定向張拉應力，使預裂炮孔沿聚能方向貫穿巖體，形成預裂面。由于鉆孔間的巖石是斷裂的，爆破炸藥單耗將大大下降，同時由于聚能裝置對圍巖的保護，鉆孔周邊巖體所受損傷也大大降低，即實現(xiàn)預裂的同時又可以最大程度的保護巷道頂板的完整性。（3）切頂卸壓護巷開采技術不僅解決了工作面鄰面接替相鄰巷道受二次動壓影響制約生產難題，同時也為新工藝、新技術在煤礦安全生產活動中的推廣和使用提供了可靠的依據。通過打破常規(guī)，積極應用新工藝、新技術，不僅節(jié)約了動壓巷道維護成本，同時也為創(chuàng)建企業(yè)轉型升級做出了貢獻。

5 效益分析

5.1 經濟效益

（1）切頂卸壓護巷技術可有效緩解煤礦采掘接續(xù)緊張的問題，減少巷道整修工作量，間接減少掘進一條巷道，掘進巷道每米勞動用工費用和設備材料費用按7000元計算，保護巷道長度500m，采用此技術后，掘進1條巷道費用可節(jié)省500×7000=350萬元。（2）提高了資源回收率，通過切頂卸壓，永久巷道附近煤柱得到回收，該巷道附近煤炭儲量16.5萬噸，按每噸500元計算，可創(chuàng)效500×16.5=8250萬元，創(chuàng)造極大的效益。

以上效益合計：350+8250=8600萬元

5.2 社會效益

（1）切頂卸壓護巷技術，是采礦界理論的一次重大突破和技術革新，破除了過去頂板控制的誤區(qū)。（2）適用范圍廣，在時間和空間上克服了銜接緊張，用人多，效率低，成本高的弊端。（3）在高地應力復合頂板條件下經切頂卸壓，使臨近巷道擺脫應力集中區(qū)，降低巷道維修工作量，緩解礦井生產接續(xù)緊張，回收保護煤柱呆滯煤量。（4）增加煤炭資源回收，降低了護巷成本，提高企業(yè)經濟效益。（5）形成了一套完整的高地應力頂板條件下切頂卸壓護巷技術，為峰峰礦區(qū)同類條件下該類工程的施工提供了參考。

6 項目的應用與推廣

高地應力復合頂板條件下切頂卸壓護巷開采技術首次在峰峰集團萬年礦進行試驗，經切頂卸壓后，工作面回采期間初采來壓及周期來壓均沒有明顯跡象，與同地區(qū)其他工作面礦壓監(jiān)測相比，工作面周期來壓強度有所降低，并且保護了受采動影響巷道，實現(xiàn)無煤柱護巷開采，取得很大的成果。下一步將在其他礦井推廣使用切頂卸壓護巷技術，從而緩解礦井采掘接替緊張局面，回收保護煤柱煤炭資源。

收稿日期：2019-11-04

作者簡介：周俊林（1980—），男，河北磁縣人，本科，副總工程師、采煤工程師，研究方向：采煤工程。