超前動壓影響下西曲礦18503 工作面巷道圍巖控制技術研究

張志雄

（西山煤電集團有限責任公司西曲礦， 山西 古交 030200）

1 礦井概況

西曲礦隸屬山西西山煤電股份有限公司，該礦井主采煤層分別為8 號、9 號煤層，18503 工作面所采煤層為8 號煤層，位于南五采區皮帶巷東南側，煤層厚度3.47～4.45 m，平均3.90 m，其傾角約2°～15°，平均4°，蓋山厚度560～690 m，工作面切眼長度235 m。根據該采區相鄰工作面回采礦壓顯現特征可知，18503 工作面回采產生的超前動壓會對南六區下組煤采區大巷群帶來強烈影響，繼而誘發其大變形影響安全回采。

本文針對該問題提出工作面超前斷頂減壓技術及配套工藝，即在工作面末采收尾時選擇合理的位置進行深孔爆破預裂、斷頂減壓工作，以實現保護該工作面前方的南一下組煤采區大巷，改善工作面回采時動壓影響區域內巷道的應力環境，在此基礎上對工作面末采期間的停采線位置進行合理確定，減少護巷煤柱寬度，使工作面多回采煤炭資源[1]。采用對于動壓巷道一般采用錨桿+架棚+注漿復合支護、減壓等加大支護強度等手段進行治理，以減小巷道大變形。

2 超前深孔斷頂減壓的基本原理及關鍵參數確定

2.1 超前深孔斷頂減壓的基本原理

超前深孔斷頂減壓的基本原理：在超前工作面一定范圍內（停采線附近）提前布置工作面回撤通道，在工作面回撤通道內對煤層頂板進行深孔爆破切頂，切斷工作面超前采動應力的傳遞路徑，改善工作面回采時動壓影響區域內巷道的應力環境，繼而實現受動壓影響巷道圍巖的長時穩定。其原理具體如圖1 所示。

圖1 超前深孔斷頂減壓示意圖

2.2 合理切頂參數的確定

2.2.1 切頂高度

超前18503 工作面回撤通道內切頂高度的確定關系到受保護巷道群應力優化小?；?8503 工作面實際工程地質條件建立數值模型，分別模擬了切頂高度15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m 時的受保護巷道群周邊圍巖應力改善情況。通過分析發現回撤通道內切頂高度30 m 時效果最好，巷道群周邊應力最低，高應力集中在巷道群與回采通道中間的煤柱張紅，有利于其圍巖長時穩定控制，切頂30 m 時應力分布云圖如下頁圖2 所示。

2.2.2 斷頂減壓孔間距的確定

針對在斷頂減壓孔內裝入的炸藥起爆后，一般會在炮孔周圍產生粉碎圈和裂縫圈。當采用耦合裝藥方式時，沿圓形鉆孔安裝的柱狀體炸藥爆炸時，其產生的沖擊波作用于鉆孔孔壁的周邊巖體，形成沖擊載荷，然后透射沖擊波不斷由孔壁周邊巖體向外傳播并不斷衰減，最終形成應力波。而巖石本身為脆性材料，其抗壓強度遠遠大于其抗拉強度，受原巖應力場影響爆破時周邊巖體可視為三向受力狀態，炸藥爆炸時在鉆孔周邊的粉碎圈是受壓后形成，外層裂隙圈是巖石收到拉應力后形成。

3 號煤礦許用乳化炸藥其密度一般為1 120 kg/m3，其爆炸時候的速度D一般為3 600 m/s，結合鉆孔所在位置周邊巖體力學參數，當在頂板砂巖石中采用3 號礦乳化炸爆破切頂時，把相關參數帶入粉碎圈半徑R1和裂隙圈半徑R2計算公式可以得到R1=0.3 m、R2=1.2 m。

同時基于西曲礦18503 工作面具體工程地質條件建立了爆破分析模型，結合實際情況炮孔直徑取0.085 m，柱狀炸藥直徑取0.063 m，通過數值模擬分析發現，炸藥起爆后100 μs 時雙炮孔時主裂紋擴展終止后向上下主裂紋的擴展長度分別為1.15 m、0.95 m，平均長度1.05 m，因此左右間距2 m 時采用該爆破參數炮孔間裂縫可完全溝通，因此本次試驗采用的斷頂減壓孔間距按整數取2 m[2]。

圖2 切頂30 m 時應力分布云圖

3 切頂減壓深孔爆破工藝

3.1 鉆孔

根據回撤通道內能擺放鉆機且留有退鉆桿空間的要求，采用坑道鉆機施工，根據炮孔設計參數，采用Φ65 mm 長度為0.6 m 的鉆桿配合三翼Φ85 mm金剛鉆頭進行打孔。在斷頂減壓孔施工過程中要求采用坡度儀以保證炮眼角度偏差±0.5°，最終所形成的斷頂減壓孔要求平且直、無巖渣。

3.2 裝藥

為了確保爆破過程中不出現殘炮、拒爆等問題，考慮到斷頂減壓孔較深，要求使用帶有凹槽的外徑Φ63 mm 的爆破筒進行炸藥填裝，凹槽的作用主要是防止雷管腳線安裝時候不被拉斷，并使用專用的炮棍進行裝藥。爆破筒每節的長度為2 m，其內安裝的3 號煤礦許用乳化炸藥直徑為35 mm。

為避免發生“殘炮”，同時由于斷頂減壓孔較深，需采用“分段連體式”裝藥結構，即把5～10 個爆破筒連接一體形成一個分段[3]，這樣既容易安裝，又能保證每個分段相對獨立，若個別分段出現拒爆而不會影響其他分段，“分段連體式”裝藥其結構示意圖如圖3 所示。

圖3 分段炸藥的安裝結構

當3 號煤礦許用乳化炸藥裝入帶有凹槽的爆破筒后，在爆破筒中間位置通過直徑約10 mm 的空安裝毫秒電雷管，同時在每根爆破筒頭尾兩端約3 mm 處通過打孔安裝連接扣用于連接爆破筒?，F場施工時，爆破筒中炸藥可以提前裝入，但雷管必須在爆破筒安裝時候再進行安裝，放炮母線使用膠帶將其牢牢固定于爆破筒凹槽中，雷管塞入爆破筒中部后其引線可直接連接到凹槽中母線，各分段爆破筒中雷管采用串聯[4]。爆破筒塞入炮孔前必須按規定使用Φ67 mm 炮棍井下探孔，以確保裝藥質量。如探孔過程中發現炮孔中由巖渣等，必須進行高壓水二次沖孔。

3.3 封孔

爆破筒安裝完成后，可采用自動封孔器或專用黃土封泥袋進行封孔。無論那種封孔方式一定要確保封實，同時封孔過程中確保母線的短路。

3.4 起爆

起爆時每個炮孔中安裝在爆破管中的雷管確保串聯，多孔起爆時孔間也要采用串聯，從而所有雷管同時一次起爆，一次可以同時起爆的2～3 個炮孔，本次試驗現場采用的起爆器型號為MFB200 型。

4 應用效果

通過在18503 工作面回合理回撤通道附近采用定向爆破斷頂減壓技術后，實現了南六區下組煤采區大巷群圍巖與支護結構的長時穩定。與該采區同煤層未采取定向爆破斷頂減壓技術的相鄰工作面18601 工作面回采結束后，對采區大巷巷道尺寸進行測量對比后發現，采用該技術現場實施效果良好，18503 工作面回采完成后，該巷道群未產生底鼓、幫鼓、噴漿掉皮、變形量過大等現象。同時通過該技術使用把18503 工作面停采線向南六區下組煤采區方向挪移了20 m，按工作面切眼長度為225 m、煤層厚度4 m 計算，多回采煤炭225×4×20×1.5=2.7 萬t，經濟效益十分顯著。