潞寧煤業22116工作面切頂卸壓護巷技術應用

王 亮

（潞安化工集團潞寧煤業有限責任公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

采區大巷主要負責采區的通風、運輸、行人等，其穩定性與否對礦井的安全生產具有十分重要的現實意義。潞寧煤業22116 工作面附近采區大巷因受到采動影響而圍巖變形量大大增加，急需采取一定的措施來減少采動應力傳遞，降低圍巖變形量，提高大巷的服務年限。

潞寧煤業22116 工作面位于22114 和22118工作面中間，為孤島工作面，工作面位置關系圖見圖1。該工作面開采2#煤層，其厚度約3.5 m，傾角4.5°，屬近水平中厚煤層；煤層結構簡單，局部有夾矸，預計可采儲量約1.736 72 Mt。工作面走向長度為1 877 m，傾向長度為178 m；2#煤層直接頂為8.5 m 的粉砂巖，老頂為13.3 m 的中粒砂巖。22116 工作面煤巖柱狀圖見圖2。

圖1 工作面位置關系

圖2 22116 工作面煤巖柱狀圖

2 切頂卸壓護巷方案

切頂卸壓方法可大致分為炸藥爆破、水壓致裂、靜態破碎和二氧化碳致裂四種。結合現場情況及礦井資料，本次切頂卸壓采用炸藥爆破法。其基本原理是通過將炸藥裝入在預定鉆孔內，引爆炸藥產生的強沖擊波，從而對頂板巖層產生震動裂隙，裂隙貫通后形成斷裂面，達到阻止工作面超前支承壓力傳播［1-2］目的。

本次切頂在停采線附近布置炮孔形成切頂線，但由于回撤通道還未形成，為了不影響生產，擬在距離停采線最近的材料斜巷內采用超前深孔預裂爆破法進行鉆孔爆破。因鉆孔爆破效果易受炮孔長度、角度、間距、孔徑、裝藥結構、裝藥量、封孔長度等因素影響，爆破參數的選擇就尤為重要。近年來，國內外學者主要采用如下方法來確定爆破參數。

2.1 炮孔角度

炮孔角度主要分為方位角和仰角，因爆破裂隙的輻射長度和三帶范圍主要受仰角影響，因此炮孔參數設計中主要考慮仰角因素，其計算見公式（1）［3-4］：

式中：l為炮孔水平投影長度，m；θ為煤層傾角，°；β為炮孔端頭距頂板長度，m；H為放頂高度，m。

2.2 炮孔直徑

根據理論推算，炮孔孔徑越大、裝藥量越多，其爆破影響范圍就越大。但受地質因素、施工條件、經濟效益等因素影響，孔徑并非越大越好，孔徑的大小直接影響著炮孔裝藥量、施工強度、炮孔數量。因此，根據潞寧煤業設備條件及施工環境選擇炮孔直徑為75 mm。

2.3 炮孔長度

炮孔長度的確定取決于上覆巖層關鍵層的高度，也就是老頂的厚度［5-6］。22116 工作面直接頂8.5 m，老頂13.3 m，所以需要切頂高度為21.8 m，通過以下公式可以計算得出炮孔長度即為31 m。

式中：L為炮孔長度；ɑ 為炮孔角度；l為切頂高度。

2.4 炮孔間距

爆破切頂的原理是通過爆破裂隙貫通而形成斷裂面，來切斷應力的傳播。當炮孔間距較大時，兩個炮孔之間的爆破裂隙不能相互貫通，爆破切頂的效果往往不理想；而當炮孔間距較小時，盡管爆破效果較好，但消耗的炸藥量較多。鑒于此，本文采用裂隙圈計算公式來確定兩個炮孔之間的間距［7］：

式中：RP為松動圈半徑；α 為應力衰減值；v為泊松比；P為初始應力峰值；rb為炮孔半徑；St為抗拉強度。

根據上述理論公式計算，松動圈半徑為3.1 m，為了保證爆破效果，結合地質條件適當調整、確定炮孔間距為6 m。

2.5 裝藥結構及裝藥量

裝藥量是影響爆破效果的另一個關鍵因素，裝藥量的大小與頂板的巖性、孔徑、孔間距有關，通常如下的經驗公式進行計算：

式中：q為單位耗藥量kg/m3；l為鉆孔深度；w為最小抵抗線；a為炮孔間距。

結合22116 工作面地質條件，并根據上述公式計算，最終確定爆破切頂卸壓炮孔關鍵參數為：炮孔角度45°，孔徑75 mm，炮孔長度31 m，炮孔間距6 m，放頂高度21.8 m，裝藥長度20 m，封孔長度11 m，施工鉆孔11 個，鉆孔總長度341 m。為保證爆破效果，選用10 個長2 m、直徑60 mm 的炸藥筒分兩組裝藥，共需約34 kg炸藥，首先在巷道內將炸藥筒裝滿，然后分兩組填入炮孔內，每個炸藥筒之間用膠帶固定，最后在全部填入后將母線引出孔口隔孔相連。炮孔位置見圖3，炮孔剖面見圖4，裝藥結構見圖5。

圖3 炮孔位置

圖4 炮孔剖面

圖5 裝藥結構

本方案擬在材料斜巷內進行鉆孔爆破，材料斜巷上端距停采線25 m，距軌道上山45 m，下端距停采線55 m，距軌道上山35 m。

2.6 爆破流程

（1）首先由瓦斯檢查員進行裝藥前的瓦斯檢查，確定瓦斯濃度不超限，否則不予裝藥。

（2）由機電專員將爆破施工周圍電氣設備進行停電閉鎖，否則不予裝藥。

（3）裝藥前，需檢查炮孔完整度，是否發生塌孔等影響裝藥情況，敲落周圍易垮落矸石，防止傷人，裝藥分為兩組同時裝藥。

（4）裝藥后，使用黃土炮泥封孔，封孔長度不得小于11 m，炮泥必須由炮棍進行壓密，在封孔中注意保護雷管線不受損壞。

（5）爆破前再次檢查瓦斯濃度，沿傾向順序起爆，每次起爆不超過4 個炮孔，分組爆破。

（6）爆破后檢查瓦斯濃度，嚴格執行一炮三檢制度。

3 礦壓監測方案

為進一步了解爆破切頂的效果，在材料斜巷內采用“十字布點法”進行巷道表面位移監測，測點間距為6 m。測點安裝前，先清理浮矸，頂底板連線必須保證垂直，測量時應使用皮尺拉緊測量。在工作面距離測點75 m 外時，每5 天測量一次，在工作面距離測點75 m 以內時，每天測量一次，在工作面距離測點30 m 以內時，每班測量一次。測點布置見圖6。

圖6 測點布置

通過對監測數據進行整理分析，選取具有代表性的1、2 號測點數據繪制測點位移變形曲線見圖7-1、7-2。由曲線圖可知，在7月19日時，曲線斜率增大，說明由于工作面的推進，在超前支承壓力的影響下，該區進入了應力增高區，導致巷道圍巖變形量開始顯著增加，且隨著工作面與斜巷的距離減小，其圍巖變形量還會持續增加。8月17日工作面停采，此時兩幫變形量最大為260 mm，頂底板變形量最大為215 mm，在此之后曲線斜率趨于平緩。但因受采動影響的上覆巖層還未達到應力平衡狀態，導致兩幫及頂底板變形增加，其兩幫最大變形量為300 mm，頂底板最大變形量為250 mm，較之停采時變形量升高了約15%。由曲線圖可以看出，爆破切頂后巷道圍巖變形曲線斜率顯著下降，兩幫變形量最大為304 mm，頂底板變形量最大為253 mm，較之切頂時變化幅度低于2%，這表明由于頂板連續性被破壞，降低了超前支承壓力的傳遞，減少了上覆巖層對巷道圍巖的影響。

圖7 -1 1 號測點圍巖變形量曲線

圖7 -2 2 號測點圍巖變形量曲線

4 結論

1）根據22116 工作面地質條件，確定在距停采線最近的材料斜巷內進行爆破切頂卸壓施工，并且根據經驗公式確定了炮孔仰角為45°、孔徑75 mm、炮孔長度31 m，炮孔間距為6 m，放頂高度為21.8 m，裝藥長度20 m，封孔長度11 m 等關鍵參數。

2）通過圍巖變形量曲線圖分析可知，距工作面距離越近，圍巖變形量越大，截至停采時，兩幫變形量最大為260 mm，頂底板變形量最大為215 mm。在切頂前，曲線斜率有所緩和，但仍為持續升高狀態，代表此時該區域仍處于超前支承壓力峰值影響范圍內，在切頂后，曲線斜率趨于平穩，兩幫變形量最大為304 mm，頂底板變形量最大為253 mm，較之切頂時變化幅度低于2%，證明爆破切頂方案有效的減小了超前支承壓力的傳遞，降低了上覆巖層對巷道圍巖的影響，保護了巷道圍巖的安全。