屯蘭礦12507 底抽巷深孔爆破卸壓保護措施與應用

喬 磊

（西山煤電（集團）公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

0 引 言

切頂卸壓技術是解決因堅硬難垮頂板懸露面積較大導致巷道礦壓顯現強烈的有效措施。近年來，諸多學者專家對此進行了大量研究。張盛等[1]基于對切頂卸壓沿空留巷工藝在國內30 余個煤礦中的應用現狀的總結和分析，統計了定向爆破孔的孔深、角度、間距和鉆孔直徑等關鍵參數。徐軍等[2]基于對淺孔爆破時巖體裂隙分布和頂板破斷規律的分析，提出淺孔爆破切頂卸壓和構筑充填體的聯合沿空留巷技術。姚安濤等[3]針對超前壓力易導致巷道底鼓問題，通過對沿空留巷進行切頂卸壓，有效治控制了回采巷道底鼓量。劉書梁和李漢民[4]針對孫莊礦沿空留巷礦壓顯現較大的問題，基于對沿空留巷礦壓顯現較大的誘因分析，利用切頂卸壓技術有效控制了沿空留巷礦壓。郭鵬飛等[5]通過確定雙向聚能張拉爆破參數，實現了軟弱復雜頂板的預裂爆破，維護了沿空留巷的穩定性。基于上述研究，本文針對屯蘭礦12507 底抽巷在12507 工作面采動影響下巷道變形較大，難以維護的工程現狀，提出采用切頂卸壓技術對12507 工作面采空區頂板進行側向預裂，以保護12507 底抽巷的穩定。

1 工程概況

西山煤電集團屯蘭礦2#煤層為該礦主采煤層之一，2#煤層厚度為2.35～3.24 m，平均厚度2.74 m；煤層傾角為2～8°，平均傾角5°。其12507 工作面頂板由不同厚度的泥巖、細砂巖和粉砂巖構成，底板由不同厚度的砂質泥巖和細砂巖構成。12507 工作面頂底板情況如圖1 所示。

圖1 綜合柱狀圖

2# 煤層12507 工作面北鄰12505 工作面采空區，南鄰12509 工作面（計劃布置），東為土地溝斷層防水煤柱和富開洗煤廠，西為南五回風巷、南五軌道巷和南五膠帶機巷。12505 工作面回采完畢后采用沿空留巷技術將12505 瓦斯治理巷復用為12507 軌道順槽，12507 底抽巷位于12507 皮帶順槽下方，12507工作面布置具體如圖2 所示。

圖2 12507 工作面布置圖

由圖1 和圖2 可知，12507 工作面頂板巖層較為堅硬，隨12507 工作面推進，頂板懸露面積不斷增大，懸露時間不斷延長，導致12507 底抽巷變形較大，維護困難。為了控制12507 底抽巷圍巖變形，確保瓦斯抽采效果，現決定根據12507 工作面實際條件，在12507 皮帶順槽內進行爆破切頂卸壓，以優化12507底抽巷圍巖環境。

2 切頂卸壓數值模擬

2.1 模型建立

切頂炮孔高度、角度以及孔間距的選擇是否合理決定了切頂卸壓的整體效果，為此基于12507 工作面煤巖層具體情況，利用FLAC3D 數值模擬軟件建立數值模型，對12507 工作面皮帶順槽不同切頂炮孔角度時12507 底抽巷塑性區分布進行分析。所建立的模型尺寸為200×80 m（長×高），模型上邊界施加15 MPa的均布載荷，底邊界限制垂直方向位移，左右邊界限制水平方向位移，所采用的煤巖層物理力學參數見表1。

表1 煤巖層物理力學參數

2.2 不同切頂角度對12507 底抽巷塑性區分布的影響

基于12507 工作面頂板巖層條件知，2# 煤層上方頂板堅硬層位較多，需要處理到垂直高度15 m 左右比較合理，因此將預裂炮孔斜長設置為18 m。結合12507 工作面實際生產情況，將預裂炮孔角度分別設置為60°、65°、70°和75°進行模擬，4 種不同切頂角度時圍巖塑性區分布分別如圖3（a）～圖（d）所示。

圖3 不同切頂角度時巷道圍巖塑性區分布圖

對比圖3（a）～圖（d）可知，隨著12507 皮帶順槽切頂角度增大，12507 底抽巷圍巖塑性區范圍呈現出先增大后減小再趨于穩定的變化趨勢。當切頂炮孔角度為60°時，巷道圍巖塑性區呈“反K”形分布，塑性區主要沿巷道左上角和左下角延伸，而巷道右側塑性區范圍相對較小。當切頂炮孔角度增大至65°時，巷道圍巖塑性區呈“X”形分布，塑性區沿巷道四角向圍巖深處延伸，且塑性區范圍進一步擴大。當切頂炮孔角度為70°時，巷道圍巖塑性區呈“倒π”形分布，塑性區沿巷道左上角和右上角略有延伸，而巷道其他位置塑性區范圍較小，巷道圍巖整體性較好；而當切頂炮孔角度增大至75°時，巷道圍巖塑性區分布范圍無顯著變化。由此可知，采用角度為70°的炮孔對12507 工作面采空區側頂板進行側向預裂時，12507 底抽巷圍巖塑性區范圍最小，即采用該角度進行切頂時對12507 底抽巷保護效果最好。

2.3 炮孔間距的確定

為了進一步確定切頂卸壓炮孔間距，本文采用HIGE_EXPLOSIVE_BURN 模型和JWL 方程對單個炮孔和雙炮孔炸藥爆破過程進行模擬，采用單個炮孔和雙炮孔時裂隙發育形態分別如圖4（a）和圖4（b）所示。

由圖4 可知，炸藥起爆后100 us 時炮孔周圍開始出現大范圍破壞，350us 時炮孔周圍開始出現徑向主裂紋，主裂紋條數為4 條。隨后主裂紋和次裂紋繼續擴展，次裂紋擴展方向具有一定的隨機性，主裂紋擴展的主方向為沿徑向向外擴展，但在局部表現為一定的隨機性。對于雙炮孔時主裂紋條數有所增加。裂紋擴展終止后向上下主裂紋的擴展長度分別為0.8m 和0.9m，平均長度0.85m。因此，在12507 工作面頂板圍巖條件下起爆后炮孔周圍的裂隙區直徑約為1.7m。綜上所述，結合12507 工作面頂板圍巖具體條件，確定切頂炮孔最佳間距為3.0m。

圖4 單個和雙炮孔時巖體裂隙發育狀態

3 巷道表面變形監測與分析

炮孔沿工作面皮帶巷頂板走向布置，間距為3m，孔深斜長18m，仰角偏向工作面側70°，炮孔垂高為15m。炮孔施工時考慮12507 皮帶順槽內設備的影響，在距離巷幫頂板處2m 處左右開口（即在巷道頂板中部開孔）。同時由于12507 工作面頂板堅硬打鉆較為困難，為了打鉆及填裝炸藥工作更容易，采用Ф75mm 鉆頭和Ф50mm 凹槽爆破筒進行炮孔施工。為了驗證該側向切頂方案時12507 底抽巷穩定情況，對12507 底抽巷表面位移進行現場監測。以預裂炮孔布設位置為起始點，布設設2 個巷道表面位移測站，測站間距為50 m，監測結果如圖5 所示。

圖5 巷道表面相對位移量

由圖5 可知，2 個測站所監測的數據相差不大，且所測得的15207 底抽巷頂底板移近量均大于兩幫移近量。距工作面0～60 m 范圍內，15207 底抽巷表面相對移近量變化較大，但在距工作面60～100m范圍時，15207 底抽巷表面移近量無顯著變化，總體上趨于穩定。此外，測站1 所監測的15207 底抽巷頂底板移近量和兩幫移近量最大值分別為206.13和134.12mm，測站2 所監測的15207 底抽巷頂底板移近量和兩幫移近量最大值分別為213.14 和138.22mm。由此可見，采用間距為3 m，孔深斜長18 m，仰角偏向工作面側70°炮孔布設方式對12507 工作面采空區頂板進行預裂爆破時，15207底抽巷表面變形較小，即有效保護了15207 底抽巷的穩定。

4 結 語

本文針對屯蘭礦12507 底抽巷在12507 工作面采動影響下巷道變形較大，難以維護的工程現狀，基于理論分析和數值模擬結果，提出采用切頂卸壓技術對12507 工作面采空區頂板進行側向預裂，并確定了采用間距為3 m，孔深斜長18 m，仰角偏向工作面側70°炮孔布設方式進行切頂卸壓時對12507 底抽巷保護效果最好。