切頂爆破在小煤柱沿空掘巷中的應(yīng)用研究

武顏璋

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 晉城 048000）

目前，伯方煤礦回采3#煤層3305工作面，為節(jié)約煤炭資源，提高煤炭采出率，延長(zhǎng)3#煤層服務(wù)年限，在3305工作面回采完成后，擬在3304工作面、3306工作面采用小煤柱沿空掘巷。但由于留小煤柱沿空掘巷，受臨近采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，巷道變形量大，維護(hù)困難。基于此，針對(duì)3305工作面兩順槽進(jìn)行切頂爆破卸壓研究，減弱采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，為后期小煤柱開采時(shí)的合理煤柱尺寸留設(shè)以及沿空順槽掘進(jìn)工作面加固支護(hù)優(yōu)化創(chuàng)造條件。

1 工程概況

3305工作面位于3號(hào)煤三盤區(qū)，東部為三盤區(qū)回風(fēng)、軌道、運(yùn)輸大巷，北部為實(shí)體煤柱和3302工作面，南部為實(shí)體煤柱，西部為礦界。工作面走向長(zhǎng)度為1940，傾向長(zhǎng)度為215m。工作面直接頂為2.8m后砂巖，老頂為9.1m厚細(xì)砂巖，底板為7.15m厚泥巖。煤層平均厚度5.47m，工作面傾角1°～10°，平均4°，采用傾斜長(zhǎng)壁式采煤方法，綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。伯方煤礦采用跳采的方式進(jìn)行回采，即3305工作面回采結(jié)束后，臨近兩側(cè)工作面形成孤島工作面，受采動(dòng)影響工作面壓力較大，因此，設(shè)計(jì)采用在3305工作面兩側(cè)順槽進(jìn)行切頂卸壓，減小采空區(qū)側(cè)向支承壓力對(duì)臨近工作面的采動(dòng)影響，在兩順槽切頂爆破卸壓1400m。工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面位置關(guān)系示意圖

2 3305工作面兩順槽原支護(hù)形式

3305兩順槽頂板支護(hù)選用φ20mm，L=2200mm的螺紋鋼錨桿+鋼筋梯子梁+菱形網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距800×900 mm；幫部支護(hù)選用MTS421Φ16×1800mm的脹套錨桿+鋼筋梯子梁+菱形網(wǎng)支護(hù)，間距800mm，排距900mm；頂板錨索選用Φ17.8×8300mm，布置方式：“二·二”布置，間距 1800mm，排距1800mm，支護(hù)示意圖如圖2所示。

圖2 順槽支護(hù)示意圖

3 頂板切頂爆破卸壓方案設(shè)計(jì)

3305工作面順槽采用以“切頂卸壓+單體液壓支柱臨時(shí)支護(hù)”為主體的設(shè)計(jì)方案，3305工作面回采工程中，在兩順槽通過(guò)精準(zhǔn)定向預(yù)裂切縫爆破，同時(shí)利用單體液壓支柱輔助配合“π”型梁支護(hù)，對(duì)抗切頂爆破瞬間對(duì)頂板的沖擊。通過(guò)在巷道煤柱側(cè)頂板形成定向預(yù)裂縫，切斷采空區(qū)側(cè)向頂板應(yīng)力傳遞路徑，減弱臨近巷道頂板壓力。且精準(zhǔn)定向預(yù)裂爆破在產(chǎn)生預(yù)裂縫的同時(shí)也能夠很好地保護(hù)臨近巷道頂板及煤柱頂板完整性。即在兩順槽精準(zhǔn)定向預(yù)裂切縫爆破后，隨著3305工作面的不斷推進(jìn)，將采空區(qū)長(zhǎng)懸臂梁轉(zhuǎn)化為短臂梁，減小采空區(qū)側(cè)向支承壓力對(duì)3304工作面、3306工作面沿空順槽的影響。

1）頂板定向預(yù)裂鉆孔角度。根據(jù)采高H的不同，在切頂卸壓沿空留巷情況下，頂板定向預(yù)裂鉆孔角度（β）一般按以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定：①當(dāng)HC≤1m時(shí)，β=20°；②當(dāng) 1m＜HC≤3m時(shí)，β=15°；③當(dāng)3m＜HC≤5m時(shí)，β=10°；伯方煤礦3305工作面采高H為5.47m，可選擇切縫角度為10°。但由于伯方煤礦只切頂卸壓不留巷，為達(dá)到更好的留巷效果，將懸臂長(zhǎng)度縮到最短，最終確定3305工作面兩順槽切縫角度為0°（鉛垂線方向）。

2）頂板定向預(yù)裂鉆孔深度及其布置。切頂預(yù)裂切縫鉆孔深度與采高、頂板下沉量以及底鼓量等有關(guān)，可通過(guò)預(yù)裂切縫深度（H縫）臨界設(shè)計(jì)公式如下：

式中：H縫為切縫深度；H1為頂板下沉量，m；H2為底臌量，m；K為碎脹系數(shù)，一般取1.3-1.5。

根據(jù)伯方礦直接頂為砂巖，本設(shè)計(jì)K暫按1.32取值，根據(jù)補(bǔ)打鉆孔資料顯示，煤厚變化不大，在不考慮底臌及頂板下沉的情況下，工作面采高取最大值5.47m時(shí)，H縫=17.1m，故將切頂深度確定為18m。切縫孔沿3305兩順槽走向平行布置一排，距工作面煤幫500mm，間距暫定500mm，切縫孔直徑Φ52mm，深度18m，切縫孔與鉛垂線夾角為0°，圖3為運(yùn)輸順槽頂板定向預(yù)裂切縫孔斷面圖。

圖3 運(yùn)輸順槽頂板定向預(yù)裂切縫孔斷面圖

3）頂板定向預(yù)裂爆破方式及裝藥結(jié)構(gòu)。裝藥方式采用四孔連續(xù)裝藥隔一個(gè)孔，爆破采用不耦和裝藥，在井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝藥，當(dāng)班使用當(dāng)班裝藥。首先將聚能管的扣蓋打開，再將乳化炸藥兩頭剪開，裝入注藥槍內(nèi)，利用井下壓風(fēng)管向裝有乳化炸藥的注藥槍內(nèi)供氣，再用注藥槍向聚能管內(nèi)注入炸藥，聚能管內(nèi)炸藥必須連續(xù)注滿，為防止盲炮出現(xiàn)，每根聚能管內(nèi)安裝兩發(fā)雷管，正向裝藥，每根聚能管內(nèi)的兩發(fā)雷管并聯(lián)連線，聚能管和聚能管之間的雷管采用串聯(lián)連線，將扣蓋扣緊，炮孔和炮孔之間采用串聯(lián)連線。在裝好藥的聚能管上安裝定位塊或?qū)χ袎K，中間的聚能管安裝一個(gè)對(duì)中塊，確保炮孔內(nèi)聚能管位于炮孔中央，孔口的聚能管上安裝定位塊，確保裝進(jìn)炮孔的聚能管不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)定位準(zhǔn)確，并在伸入孔底的一端安裝孔底連接件，綁扎一卷炸藥并安裝雷管作為加強(qiáng)藥。聚能管裝入炮孔中，其兩端的聚能槽相互對(duì)應(yīng)沿巷道呈一條直線。聚能管扣蓋必須朝向采空區(qū)方向，最后用炮泥封孔，封泥長(zhǎng)度不得小于孔深的1/3。如圖4所示。

4）爆破前巷道臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。為了保證切頂爆破過(guò)程巷道的穩(wěn)定性，在對(duì)3305工作面兩順槽頂板進(jìn)行預(yù)裂切頂爆破前，采用單體液壓支柱+3.2m長(zhǎng)的π型梁進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，單體液壓支柱+頂梁采用“一梁四柱”，平行切縫方向支設(shè)，單體液壓支柱距離炮孔距離200mm，柱距900mm。隨著工作面的不斷推進(jìn)，超前支架逐漸前移，再逐段回撤單體液壓支柱。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)

5）爆破切頂效果分析。爆破卸壓前，采用單體液壓支柱+3.2m長(zhǎng)的π型梁加強(qiáng)支護(hù)，根據(jù)3305巷道變形觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)：卸壓后，巷道的頂板的平均變形量為100mm，最大變形量為200mm，變形量較小。因此，在原支護(hù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)切頂卸壓+單體液壓支柱臨時(shí)支護(hù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道變形的有效控制，回采規(guī)程中，由于煤層底板為厚泥巖，需注意底板遇水膨脹變形的問題，加強(qiáng)對(duì)底板變形的控制，保證工作面的安全生產(chǎn)。

4 經(jīng)濟(jì)效益

伯方煤礦目前按照常規(guī)回采布置，工作面與工作面間留設(shè)煤柱25m，現(xiàn)按照切頂卸壓留設(shè)小煤柱（煤柱6m）開采，煤價(jià)暫按700元/t計(jì)算。切頂卸壓留設(shè)小煤柱（煤柱6m）開采每100m多回收煤量=100×（25-6）×5.47×1.35=14030t，則增加收入=14030×700=982.1萬(wàn)元。

按照炮孔間距500mm計(jì)算，切頂卸壓需支出費(fèi)用=材料費(fèi)+人工費(fèi)+機(jī)械費(fèi)=321144＋317000＋51000=68.92萬(wàn)元，由此可知：采取切頂卸壓留設(shè)小煤柱開采的經(jīng)濟(jì)效益為=982.1－68.92=913.18萬(wàn)元，效益可觀，經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益如表1所示。

表1 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)論

1）采用以“切頂卸壓+單體液壓支柱臨時(shí)支護(hù)”設(shè)計(jì)方案，在回采工程中，通過(guò)對(duì)巷道頂板定向預(yù)裂鉆孔角度、定向預(yù)裂鉆孔深度進(jìn)行計(jì)算，實(shí)施精準(zhǔn)定向預(yù)裂切縫爆破，采取單體液壓支柱輔助配合“π”型梁支護(hù)，對(duì)抗切頂爆破瞬間對(duì)頂板的沖擊。經(jīng)爆破后的巷道變形觀測(cè)：巷道頂板最大變形量為200mm，巷道變形的控制較好，為以后沿空掘巷創(chuàng)造了條件。

2）通過(guò)切頂卸壓留設(shè)小煤柱開采與原留設(shè)25m大煤柱經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比可知，采取切頂卸壓留設(shè)小煤柱開采的百米巷道產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益913.18萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀，值得推廣。