基于切頂卸壓技術(shù)的強礦壓巷道斷頂降壓研究

張鵬程

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦， 山西 古交 030205）

1 工作面概況

8204-2 工作面為兩巷布置，工作面位于8 號煤采區(qū)右翼，工作面兩巷均開口于8 號煤皮帶下山，停采線東北側(cè)實體間隔50 m 為南八軌道運輸大巷；工作面走向長950 m，傾向長200 m，工作面采用走向長壁后退式一次采全高的綜合機械化采煤方法，采用全部垮落法管理頂板。工作面所采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組8 號煤層，屬近水平至緩傾斜穩(wěn)定可采厚煤層，煤層厚度4.40~6.40 m，平均5.98 m，含一層穩(wěn)定夾矸，結(jié)構(gòu)0.27（0.19）2.52，煤層普氏硬度2.2。老頂為粗粒砂巖，淺灰色，成分以石英為主，緩波狀層理發(fā)育，含泥質(zhì)包裹體，普氏硬度6.0，平均厚度為4.2 m，直接頂為泥巖，深灰色，含炭質(zhì)較多，夾條帶狀細砂巖及黃鐵礦結(jié)核，普氏硬度4.5，平均厚度為1 m，直接底為高嶺巖，黑灰色，夾有鏡煤透鏡體，層面含炭質(zhì)，普氏硬度6.5，平均厚度為1 m，老底為含礫粗砂巖，灰色，主要由石英組成，具不明顯微波狀層理，局部相變?yōu)榉凵皫r及粗砂巖，普氏硬度6.0，厚度為4.25~9.44 m，平均為7.34 m。根據(jù)2018 年11月國家安全生產(chǎn)礦用安全儀器檢測檢驗中心對煤樣化驗知：8 號煤揮發(fā)分25.64%，自燃傾向性等級為Ⅱ類，為自燃煤層，自燃發(fā)火期為4 個月，火焰長度20 mm，具有爆炸性。

2 頂板斷裂形式分類

一般工作面頂板斷裂分兩種形式：

1）頂板在煤柱上方斷裂，如圖1-1 所示。如果頂板斷裂位置在煤柱上方，則煤柱作為巖梁一端的承載基，必然受力集中，煤柱塑性區(qū)范圍大，留設(shè)煤柱尺寸也就相應(yīng)的大，浪費煤炭資源[1-3]。

2）頂板在采空區(qū)上方斷裂，如圖1-2 所示。當(dāng)頂板斷裂線位于采空區(qū)上方，則煤柱上方頂板為一懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁受力完全作用在煤柱上，同樣煤柱塑性區(qū)范圍大，需要留設(shè)較大的煤柱[4-5]。

圖1 頂板斷裂位置圖

采用聚能穴定向爆破對頂板側(cè)向切斷的辦法可以減小煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。如圖1 所示，將頂板沿巷道上方切斷，避免左右兩側(cè)巖梁的“拉扯”作用而造成的煤柱應(yīng)力集中，可以減小煤柱尺寸留設(shè)[6-7]。此外，由于頂板切斷，應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移程度減小，下一個工作面的順槽巷道幫鼓和底鼓現(xiàn)象也會有所緩和。

3 強礦壓危險因素分析

針對8204-2 工作面特殊地質(zhì)賦存條件，下面分別從地質(zhì)和開采技術(shù)因素兩方面對各主控影響因素進行危險性分析。

1）地質(zhì)構(gòu)造。工作面兩順槽巷在掘進過程中共揭露正斷層21 條。其中2204-2 巷揭露14 條正斷層，落差在0.1～5.8 m 之間，其中落差大于3 m 的斷層有1 條。5204-2 巷揭露7 條正斷層，落差在0.3～4.1 m 之間，落差大于3 m 的有2 條，具體如圖2 所示。當(dāng)工作面推進至斷層附近時，工作面和斷層間煤體應(yīng)力集中引起斷層附近頂板的劇烈運動，釋放大量能量，導(dǎo)致巷道嚴重變形，給人員和設(shè)備造成安全風(fēng)險。

圖2 工作面斷層分布圖

2）煤層厚度及其變化。3 號—5 號層為穩(wěn)定可采煤層，煤層走向近似東西，屬于南高北低的單斜構(gòu)造，傾角1°～3°，平均2°，近水平煤層，可利用厚度4.40~6.40 m，平均5.98 m，如圖3-1。沿工作面走向，煤層厚度整體變化表現(xiàn)由厚變薄，再變厚，其中5204-2 巷側(cè)煤厚變化程度要大于2204-2 巷。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計分析，礦壓顯現(xiàn)程度與煤層厚度及其變化緊密相關(guān)，在煤層厚度突然變薄或者變厚處，往往伴隨著強礦壓顯現(xiàn)，圖3-2 為工作面煤厚相對均值變化圖。

圖3 工作面煤厚分布及煤厚變化圖

3）留底煤厚度。8204-2 工作面煤層厚度大，整體受F13810 大斷層切割，且局部發(fā)育有較多的小斷層，因此，巷道掘進留底煤情況普遍，且局部底煤厚度較大，在工作面回采過程中，當(dāng)巷道兩側(cè)的高集中應(yīng)力傳遞到底煤區(qū)域時，將形成高應(yīng)力集中區(qū)，在采動應(yīng)力影響下，巷道底板的平衡狀態(tài)被打破，此時易誘發(fā)強礦壓顯現(xiàn)，圖4 為工作面兩巷留底煤厚度圖。

4 切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用

4.1 動壓影響巷道斷頂卸壓理論分析

工作面?zhèn)认蚯许斝璨捎谩熬勰芏ㄏ虮啤钡姆绞竭M行，傳統(tǒng)的爆破方式與聚能穴爆破最大的差異就是裂隙擴展方向不可控，如圖5-1 所示為傳統(tǒng)的深孔爆破，其效果是將巖石向炮孔四周崩出裂隙，而圖5-2 為聚能定向爆破，可使爆破產(chǎn)生的主裂隙按指定方向進行擴展。

圖4 工作面兩巷留底煤厚度圖

圖5 普通深孔爆破與聚能定向爆破裂隙對比

傳統(tǒng)的普通爆破不能勝任工作面?zhèn)认蚯许敼ぷ鳎驗閭鹘y(tǒng)爆破裂隙像四周擴展，且擴展程度未知，很可能將巷道上方頂板隨機炸斷，造成回采巷道支護失效，極易造成傷人事故。

聚能定向爆破是在炸藥被筒上留設(shè)有聚能槽，當(dāng)炸藥起爆后，產(chǎn)生的高溫高壓的爆轟產(chǎn)物會優(yōu)先沿著聚能槽的方向釋放，即大部分能量朝著給定方向，可按照設(shè)定方向?qū)r石拉裂成縫，將巖石切斷。正是由于聚能爆破具有上述特征，可采用該手段頂板可沿順槽走向切斷。

4.2 斷頂卸壓方案的設(shè)計

根據(jù)井下工作面回采煤層厚度，按力學(xué)理論公式計算后，頂板應(yīng)爆破處理高度，具體爆破參數(shù)需研究后確定，因此需采用側(cè)向切頂?shù)奈恢萌缦马搱D6所示，在井下工作面回采時，沿著圖中側(cè)向切頂線處施工一組炮孔，將頂板切斷，深孔與淺孔位置參數(shù)如圖7 所示。

圖6 側(cè)向切頂位置圖

圖7 側(cè)向切頂炮孔位置圖

4.3 經(jīng)濟效益分析

1）投入。鉆工施工費：主要為人員費，每個班配3 名工人，每天按施工12 個孔計算，800 個孔需2 個月完成，工人工資按6 000 元/月算，人員費投入約3.6 萬元；爆破火工用品：按炸藥6 000 元/t，雷管3元/個，每個炮孔消耗火工用品約250 元，1 200 m 巷道的火工用品投入約20 萬元；爆破筒、炮棍等材料：按每個孔消耗約150 元算，大約800 個孔共需投入材料費約12 萬元（合計35.6 萬元左右）。每米巷道刷幫、臥底等人工費：巷道維修每班投入約12 人，每天維修10 m 巷道，則1 200 m 巷道需投入人工成本約28.8 萬元。錨桿、鋼筋托梁、錨索、網(wǎng)成本：按每米巷道補打3 套錨桿、每2 m 補打1 套錨索，網(wǎng)片4 m2，則折合每米巷道成本約800 元，1 200 m 巷道成本約96 萬元。錨固劑材料等：每米約400 元，1 200 m巷道成本約48 萬元。

2）收益。可節(jié)省如下巷道維護成本約300~500萬元。

此外錨桿鉆孔施工、材料運輸、臥底矸石拉運等成本無法估算。此外，如果縮小煤柱后可多創(chuàng)收幾千萬元。

5 結(jié)語

1）8204-2 工作面所在區(qū)域?qū)儆趶妱訅河绊憛^(qū)域，實施切頂卸壓，有效改善了采區(qū)巷道所處的應(yīng)力環(huán)境，阻斷工作面超前支承壓力的傳遞路徑。

2）切頂卸壓技術(shù)在強礦壓巷道的應(yīng)用，應(yīng)用表明，可節(jié)省巷道維護成本約300~500 萬元，同時能較好的解決受強動壓影響的采區(qū)巷道大變形問題，減小了采區(qū)護巷煤柱留設(shè)尺寸，提高了煤炭回采率。