聚能定向預(yù)裂爆破切頂卸壓在堅(jiān)硬頂板綜放工作面的應(yīng)用

梁向輝

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)金辛達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

金辛達(dá)煤業(yè)11（9+10+11）#煤層，平均埋深200 m 左右，平均煤厚6.16 m，頂板為堅(jiān)硬的K2灰?guī)r，平均厚度10.2 m 左右。采區(qū)巷道布置為單翼開采，工作面順槽巷道沿11#煤層底板掘進(jìn)，工作面間保護(hù)煤柱寬度30 m，采煤工藝為綜采放頂煤。工作面回采過程中，臨近采空區(qū)的順槽巷道底鼓變形嚴(yán)重，巷道維修工程量大，并且對頂板管理造成較大困難。

1 礦壓顯現(xiàn)情況及原因分析

1.1 礦壓顯現(xiàn)情況

11（9+10+11）#煤層一采區(qū)已布置4 個工作面，前兩個工作面已回采結(jié)束，礦壓顯現(xiàn)較弱；11103工作面回采期間，對相鄰11105 輔運(yùn)順槽掘進(jìn)工作面造成較為嚴(yán)重的動壓影響。11103 工作面與11105輔運(yùn)順槽相鄰，保護(hù)煤柱30 m。11103工作面回采前，11105 輔運(yùn)順槽已掘進(jìn)完成。11103 工作面回采期間，滯后切眼150 m左右，11105輔運(yùn)順槽礦壓顯現(xiàn)加劇，短時間內(nèi)巷道嚴(yán)重變形，頂?shù)装逡平科骄? m 左右，最大達(dá)到1.5 m，局部巷道短時間內(nèi)頂?shù)装逡平俾蔬_(dá)200 mm/d，兩幫移近量平均為0.5 m，最大達(dá)到1 m，最大兩幫移近速率達(dá)到50 mm/d，造成嚴(yán)重的巷道頂板破碎離層及片幫。

1.2 礦壓顯現(xiàn)原因分析

11（9+10+11）#煤層埋深較淺，原巖應(yīng)力小，對巷道礦壓顯現(xiàn)影響小。巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈的主要原因是相鄰工作面回采期間，采空區(qū)頂板垮落時，煤柱上方基本頂K2 灰?guī)r斷裂，巖塊回轉(zhuǎn)對巷道造成二次擾動，并且基本頂巖塊回轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，壓覆在煤柱上方，在煤柱及巷道上方造成較大的應(yīng)力集中，造成煤柱塑性變形，承載力下降，進(jìn)而造成應(yīng)力在巷道頂?shù)装寮皟蓭歪尫牛罱K導(dǎo)致巷道頂板下沉、底鼓及片幫[1-2]。

圖1 采空區(qū)頂板垮落示意圖

同時，隨著采空區(qū)面積增加，上覆彎曲下沉帶巖層自重也會通過此回轉(zhuǎn)巖塊將應(yīng)力傳遞至保護(hù)煤柱上，造成采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響范圍增大[3]，并且峰值位置向深部轉(zhuǎn)移至巷道附近，較大的集中應(yīng)力對巷道維護(hù)極為不利。如圖1 所示，A 為應(yīng)力降低區(qū)，B 為應(yīng)力增高區(qū)，峰值位置向深部轉(zhuǎn)移后，距離巷道較近。即便調(diào)整巷道掘進(jìn)時間，待頂板垮落基本頂回轉(zhuǎn)穩(wěn)定后再掘進(jìn)巷道，僅僅可避開基本頂回轉(zhuǎn)時的動壓影響，仍然避免不了較高的側(cè)向支承壓力的持續(xù)影響[4]。

回采前采用定向預(yù)裂爆破切頂?shù)姆椒ǎ藶榭刂芀2 灰?guī)r頂板斷裂位置，避免斷塊直接壓覆在煤柱上方導(dǎo)致側(cè)向支承壓力的應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，同時減小應(yīng)力集中系數(shù)，從而緩解巷道圍巖應(yīng)力影響[5]。

2 切頂卸壓方案

2.1 聚能定向預(yù)裂爆破

爆破切頂工作必須超前回采工作面施工，所以爆破效果既要達(dá)到控制基本頂斷裂線位置，同時又必須保證預(yù)裂爆破不能影響回采期間頂板管理。傳統(tǒng)的爆破方式裂隙擴(kuò)展方向不可控，對頂板破壞大，不利于回采期間頂板管理。聚能定向爆破利用雙向聚能管，可使爆破產(chǎn)生的主裂隙按指定方向進(jìn)行擴(kuò)展[6]。

2.2 爆破參數(shù)

在11103 回采工作面膠帶順槽煤柱側(cè)，沿巷道走向布置炮眼。爆破參數(shù)通過現(xiàn)場爆破試驗(yàn)效果不斷調(diào)整，最終確定合理爆破參數(shù)如下：炮眼間距1 m，眼深13 m（以炮眼穿過頂板K2 灰?guī)r為準(zhǔn)），炮眼角度80°，單孔裝藥量為4 kg 乳化炸藥，200 g/卷，使用5根1.5 m長雙向聚能管，裝藥結(jié)構(gòu)為6-5-4-3-2，空氣柱間隔裝藥，每根聚能管裝1 發(fā)電雷管，每個孔電雷管要求使用瞬發(fā)電雷管或同一號段的毫秒延期電雷管，封孔長度4 m。炮孔布置及裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 炮孔布置及裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

每一節(jié)聚能管裝藥時，用細(xì)鐵絲通過聚能管兩側(cè)小孔將藥卷固定，保證藥卷間有效接觸。雷管采用串聯(lián)方式連線。同時起爆的炮眼越多，預(yù)裂效果越好，但是考慮到巷道頂板安全，一次起爆炮眼個數(shù)3～5 個。

圖3 爆破預(yù)裂效果

圖3 為爆破后使用鉆孔窺視儀拍攝的預(yù)裂效果。雙向聚能管可有效控制裂縫擴(kuò)展方向，同時保護(hù)巖體在其他方向破壞較小。回采過程中，超前工作面方向，預(yù)裂位置頂板灰?guī)r相互咬合，仍具有較好的承載力，不會對巷道頂板管理造成明顯影響；工作面移架后，采空區(qū)頂板失穩(wěn)能夠及時沿預(yù)裂面破斷垮落。

3 切頂卸壓應(yīng)用效果

11103 工作面走向長度1830 m，工作面回采時對臨近已掘進(jìn)完成的11105 輔運(yùn)順槽影響嚴(yán)重。11103 工作面回采至900 m 左右時引進(jìn)定向預(yù)裂爆破切頂技術(shù)。

圖4 為11105 輔運(yùn)順槽未切頂卸壓時實(shí)測頂?shù)装逡平俊⒁平俾逝c11103 回采工作面推進(jìn)位置關(guān)系曲線。橫坐標(biāo)為切眼后方的觀測點(diǎn)距切眼距離，由于工作面推進(jìn)方向前方巷道基本無礦壓顯現(xiàn)，故圖中未體現(xiàn)超前巷道變形曲線。從圖中看出，11103工作面回采時，11105 輔運(yùn)順槽滯后回采100 m 開始發(fā)生明顯頂板下沉和底鼓現(xiàn)象，礦壓顯現(xiàn)劇烈，最大平均頂?shù)装逡平俾蔬_(dá)到20 mm/d。

圖4 巷道變形與工作面推進(jìn)位置關(guān)系曲線

圖5 為11105 輔運(yùn)順槽切頂卸壓效果對比。A為未采取卸壓措施段巷道，礦壓顯現(xiàn)劇烈，導(dǎo)致巷道寬度、高度均滿足不了正常使用要求，頂板鋼帶變形嚴(yán)重，錨桿、錨索支護(hù)遭到嚴(yán)重破壞。B 為采取切頂卸壓措施段巷道，礦壓得到了有效控制，局部雖存在100～200 mm 左右底鼓，但是加強(qiáng)支護(hù)后不影響巷道安全使用。

圖5 卸壓前后巷道對比

4 結(jié)論

堅(jiān)硬頂板煤層，工作面回采時，采空區(qū)側(cè)向頂板易形成懸臂梁或基本頂巖塊回轉(zhuǎn)后形成三鉸拱，側(cè)向支承壓力集中作用在保護(hù)煤柱及鄰近巷道上，造成礦壓顯現(xiàn)劇烈。通過定向預(yù)裂爆破，人工干預(yù)頂板斷裂位置，可以有效減小側(cè)向支承壓力影響范圍，緩解鄰近巷道礦壓顯現(xiàn)。