金辛達煤業(yè)11103工作面切頂卸壓技術(shù)研究與應(yīng)用

劉林升

(晉能集團 金辛達煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000)

1 工程概況

金辛達礦11103工作面目前正在向前回采，北部為11105工作面(已完成掘進)，南部為11102工作面采空區(qū)，東部是井田邊界(和晉牛煤業(yè)相毗鄰)，西部是北輔運大巷。 工作面開采9+11號煤層，煤層均厚6.16 m，其上方直接頂為K2石灰?guī)r，平均厚度10.24 m，巖層致密堅硬。11103工作面與11105工作面的煤柱寬度為30 m，在11103工作面回采期間，11103工作面膠運、輔運巷及11105輔運巷在采動影響下，巷道圍巖出現(xiàn)較大程度的變形，特別是幫鼓、底鼓現(xiàn)象非常明顯，11103工作面膠運巷和輔運巷底板最大鼓起量達到900 mm，兩幫最大移近量達到1 200 mm，11105工作面輔運巷圍巖最大變形量達到400 mm。

通過分析11103工作面的地質(zhì)條件及賦存特征，得出“圍巖應(yīng)力集中”是11103工作面膠運、輔運巷及11105輔運巷圍巖變形的主要影響因素之一，為改善圍巖的應(yīng)力環(huán)境，這時需要采取“卸壓”措施，從而達到阻止圍巖發(fā)生大幅變形的目的。故決定在11103工作面膠運、輔運巷進行切頂卸壓。

2 深孔爆破切頂卸壓原理

2.1 切頂卸壓原理

隨著工作面的回采推進，工作面上方的頂板巖層會逐漸發(fā)生破斷，進而導(dǎo)致巷道應(yīng)力的重新分布，在采用區(qū)段煤柱護巷的回采工作面，頂板巖層的斷裂會導(dǎo)致煤柱出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中程度及位置會隨著斷裂線位置的變形而變化，當(dāng)工作面頂板上覆巖層的斷裂發(fā)生在煤柱上方或鄰近巷道上方時，此時煤柱便為巖梁一端的承載基礎(chǔ)，進而致使煤柱承載較大的載荷，煤柱內(nèi)部塑性區(qū)的發(fā)育范圍較大，煤柱便會表現(xiàn)出變形量大的特征，且易致使鄰近巷道出現(xiàn)較大的破壞變形[1-2]；若斷裂線位于距離煤柱較遠的采空區(qū)上方，此時煤柱上方頂板形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁受力完全作用在煤柱上，煤柱內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱發(fā)育的塑性區(qū)范圍同樣較大，不利于鄰近巷道的穩(wěn)定，如圖1(a)所示；若斷裂線出現(xiàn)在靠近煤柱的位置，則本工作面回采過后上覆巖層傳遞給煤柱和鄰近巷道的壓力較小，有利于煤柱和鄰近巷道的穩(wěn)定，如圖1(b)所示。

圖1 頂板斷裂位置示意

因此，為了減小應(yīng)力集中程度，可在工作面正常向前回采時，采用爆破的方式在巷道上方垂直走向?qū)㈨敯迩袛啵档拖锏纼?nèi)的應(yīng)力集中，減小塑性破壞區(qū)范圍，降低鄰近巷道的變形程度，如圖2所示。

圖2 工作面?zhèn)认蚯许斊拭婕捌矫?m)

2.2 聚能定向深孔爆破預(yù)裂

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“V”字形聚能槽，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。聚能爆破所需的炸藥被筒如圖3所示。

圖3 聚能爆破模擬效果及炸藥被筒示意

根據(jù)聚能爆破的上述特征，可采用該方法對頂板沿巷道走向切斷，為了控制裂隙擴展的范圍，需根據(jù)巖石抗拉強度、彈性模量等參數(shù)，確定聚能槽的開口大小、V字形開口角度、裝藥不耦合系數(shù)，這些參數(shù)直接影響爆破效果[4-5]。

3 煤柱側(cè)向切頂卸壓方案

3.1 方案設(shè)計

卸壓采用深孔預(yù)裂爆破的方法進行。由于深孔爆破的封泥長度較長，爆破后孔口紋絲不動，不會對巷道造成任何損壞。為了實現(xiàn)對煤柱的卸壓，設(shè)計切斷煤層上方13 m范圍內(nèi)的頂板。故確定11103膠運巷頂板炮孔孔深為14 m，孔徑為60 mm，鉆孔垂直頂板鉆進，炮孔間距2 m；11103輔運巷、11105輔運巷頂板炮孔孔深定為15 m，孔徑為60 mm，垂直巷道走向仰角75°鉆進，炮孔間距2 m，具體炮孔布置示意如圖4所示。

在鉆孔時盡量將孔內(nèi)煤渣排除，要求鉆桿鉆到規(guī)定深度時鉆機空轉(zhuǎn)5 min；打孔時工人應(yīng)根據(jù)鉆機的鉆進速度及返水情況記錄好各炮孔不同深度處巖石的軟硬情況。

圖4 煤柱側(cè)向切頂深孔爆破鉆孔示意(m)

本次使用凹槽爆破筒外徑50 mm。炸藥采用煤礦許用三級乳化炸藥，藥卷尺寸長200 mm，直徑35 mm。深孔爆破由于炮孔較深，為了便于裝藥，需采用阻燃防靜電凹槽爆破筒[5-6]，每節(jié)爆破筒2 m長，裝入炸藥量約3 kg，每米裝藥量約1.5 kg。封孔采用封泥袋，設(shè)置封孔長度為1.2 m。

3.2 效果分析

切頂卸壓技術(shù)實施后，在11103工作面膠運巷和輔運巷超前工作面60 m的位置處布置巷道表面位移監(jiān)測站，表面位移采用十字布點法進行觀測，持續(xù)觀測至工作面回采推進測站位置處，根據(jù)觀測結(jié)果得出回采期間巷道表面位移曲線，見圖5。

圖5 煤柱側(cè)向切頂卸壓后巷道表面位移曲線

由圖5可知，巷道在超前工作面60 m的范圍內(nèi)，膠運巷和輔運巷在距工作面35～60 m的范圍內(nèi)，頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟烤^小，當(dāng)測站與回采工作面距離小于35 m后，此時隨著工作面回采作業(yè)的進行，膠運巷和輔運巷頂?shù)装寮皟蓭妥冃嗡俾书_始逐漸增大。其中膠運巷在距離工作面14 m的位置處變形速率最大，當(dāng)測站距離工作面1 m時，此時頂?shù)?/p>

板移近量達到500 mm，兩幫移近量達到505 mm；輔運巷在距離工作面12 m的位置處，圍巖變形速率達到最大值，在測站距離工作面1 m時，此時頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟糠謩e為360 mm和460 mm。另外根據(jù)切頂卸壓后11105輔運巷圍巖變形的觀測結(jié)果可知，煤柱側(cè)切頂卸壓后，11105工作面輔運巷受到鄰近回采工作面采動影響較小，11103工作面回采期間，11105工作面輔運巷圍巖最大變形量為70 mm。

根據(jù)上述分析可知，11103工作面膠運巷、輔運巷及11105輔運巷在采用切頂卸壓技術(shù)后，圍巖變形量均得到了有效控制，解決了巷道圍巖變形量大的問題，巷道的圍巖變形滿足回采巷道的使用要求。

4 結(jié) 語

根據(jù)采動影響下11103輔運巷、膠運巷和11105工作面輔運巷的變形情況，結(jié)合巷道賦存情況確定巷道變形量大的主要原因為圍巖應(yīng)力集中，通過采用切頂卸壓措施，3條巷道圍巖變形量大的問題得到了解決，保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。