1301 工作面切頂卸壓圍巖控制技術研究與應用

李海斌

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

山西蘭花科創集團玉溪煤礦1301 工作面井下位于一盤區南部盤區巷東側，開采3#煤層。煤層厚度為5.8～6.2 m，平均厚度為6.1 m，平均傾角3°。煤層頂板巖層主要為泥巖、粉砂巖和中粒砂巖，底板巖層為粉砂巖和細粒砂巖，見表1。1301 工作面傾向長度為200 m，走向長度為1267 m。工作面采用綜合機械化一次采全高工藝，頂板管理采用全部垮落法。1301 工作面在回采期間，回風2 順槽、回風3 順槽底板及兩幫變形量較為嚴重，變形量達到巷道尺寸的30%左右，嚴重影響巷道的正常使用。為有效解決采動影響下巷道圍巖變形量大的問題，擬采用切頂卸壓技術對頂板進行精準定向預裂爆破，以切斷頂板應力傳遞路徑。工作面切頂卸壓試驗段位置如圖1。

圖1 1301 工作面布置及切頂卸壓位置示意圖

表1 煤層頂底板巖層特征表

2 切頂卸壓圍巖控制理論

切頂卸壓是一項基于“切頂短臂梁理論”發展的技術，切頂卸壓的關鍵在于精準定向預裂切頂，通過采用聚能管的方式，讓爆破沿著兩個設定方向形成聚能流，通過聚能流產生集中張拉應力，以此實現頂板定向爆破[1-3]。切頂卸壓技術主要用于工作面回采前，通過在回采巷道煤柱側布置切頂孔，通過切頂卸壓技術實現在回采巷道煤柱側產生定向預裂縫，實現切斷采空區頂板破斷巖梁的應力傳遞路徑。具體頂板定向預裂切縫技術原理如圖2。頂板定向預裂切頂技術實施時，通過在聚能管內裝入炸藥，利用炸藥的沖擊力，沿著聚能管的設定方向形成爆轟沖擊波，使沖擊波沿著槽縫向兩側逐漸傳遞。沖擊波在傳遞時會首先作用到孔壁上，沖擊波會在孔壁處形成初始裂隙，在聚能管的定向集中作用下使得靠近聚能管兩側的孔壁受力較大，形成的初始裂隙較長。隨著沖擊波的傳播與衰弱，其逐漸轉化為應力波，應力波與爆生氣體共同作用于巖體內，在聯合準靜壓的作用下裂隙逐漸向深部擴展，在聚能管定向壓力的作用下，兩側巖體易形成貫通裂隙。頂板定向預裂切縫技術實施時，若采取幾個炮孔同時起爆的方式，爆生氣體在炮孔間產生應力疊加效應，對炮孔間的張拉作用加強，更利于裂紋擴展。當相鄰炮孔的間距適當時，裂縫會相互貫通，形成光滑的斷裂面[4-5]。根據眾多切頂卸壓的工程實踐可知，切頂卸壓技術能夠達到按照設計位置和方向產生預裂切縫的目的，使巷道頂板沿著設計高度產生切縫，達到切斷頂板又不破壞頂板的目的。

圖2 頂板定向預裂切縫技術原理圖

3 切頂卸壓方案及效果

3.1 切頂方案

根據1301 工作面的具體地質條件，結合切頂卸壓圍巖控制理論，確定在1301 工作面回風順槽1和膠帶順槽內實施切頂卸壓，具體切頂卸壓方案中的各項參數如下：

（1）預裂鉆孔角度。頂板定向預裂鉆孔角度主要由工作面開采高度、頂板巖石力學參數、頂板垮落情況及煤層傾角等因素決定[6]。頂板巖層斷裂后的結構及其穩定性關系如圖3。

圖3 頂板巖層斷裂后的結構及其穩定性力學模型

分析圖3 中的（a）和（b）兩種情況，能夠得出兩種情況下的力學平衡條件為：

式中：T 為斷裂面的垂直應力；R 為斷裂面的水平應力；θ 為斷裂面與垂直方向的夾角。據1301工作面開采參數知，該工作面最大采高為6.2 m，由于1301 工作面僅切頂不留巷，為實現較好的切頂效果，使得頂板懸臂長度縮到最短，最終確定切縫角度為0°。

（2）預裂鉆孔深度。根據3#煤層頂板巖層為砂巖和泥巖，切頂卸壓需確保切斷頂板上方的砂巖，確定切頂深度為頂板向上18 m。

（3）預裂鉆孔間距及布置方式。設置預裂鉆孔間距為500 mm，切縫孔與煤柱幫距離500 mm，切縫孔沿著巷道頂板平行布置一排，鉆孔直徑52 mm，深度為18 m，切縫孔垂直于巷道頂板。具體切縫孔布置方式如圖4。

圖4 1301 工作面回風順槽1 和膠帶順槽切頂卸壓鉆孔布置示意圖

（4）裝藥及爆破方式。預裂爆破炸藥采用三級煤礦乳化炸藥，預裂爆破時采用D 型聚能管進行不耦合裝藥。D 型聚能管外徑為33 mm，單根長度為2 m。裝藥時先將扣蓋打開，將乳化炸藥兩頭剪開后，裝入注藥腔內，聚能管內的炸藥必須連續注滿，每根聚能管內安裝兩發雷管，采用正向裝藥。每根聚能管內的兩發雷管采用并聯連接，聚能管與聚能管間的雷管采用串聯連接，炮孔與炮孔間采用串連的方式連接。

聚能管內安裝定位塊和對中塊，確保裝入炮孔內的聚能管不發生轉動，聚能管的扣蓋朝向采空區方向，每個鉆孔內裝6.5 根聚能管，炮孔單孔裝藥量為6.7 kg，雷管16 發，炮孔采用炮泥封孔，封孔長度為5 m。具體裝藥結構如圖5。

圖5 裝藥結構示意圖

（5）爆破前巷道支護。巷道切頂爆破前，為保障巷道圍巖的穩定，在距切縫線500 mm 的位置處支設一排單體支柱，單體支柱的支設方向與切縫線的方向保持一致，切頂爆破必須在臨時支護下進行，單體柱的間距為100 mm，單體柱配合π 型梁進行支護。

3.2 效果分析

1301 工作面回風順槽1、膠帶順槽切頂卸壓方案實施后，在巷道內設置圍巖變形觀測點，回風順槽1 和膠帶順槽的測點布置在超前工作面112 m 和100 m 的位置處。隨著工作面回采作業的進行，持續進行監測分析，根據監測結果得出巷道圍巖變形量與工作面距離間的關系如圖6。

圖6 切頂卸壓后巷道圍巖變形曲線圖

分析圖6 可知，回風順槽1 切頂后，巷道圍巖變形速率在超前工作面112～50 m 的范圍內相對較低，在超前工作面50 m 范圍內圍巖變形速率開始逐漸增大，最終頂板最大下沉量為41 mm，底鼓量為149 mm，實體煤幫（左幫）移近量為58 mm，煤柱幫（右幫）移近量為11 mm。膠帶順槽切頂后，巷道圍巖變形曲線基本與回風順槽1 的變形曲線相同，頂板最大下沉量、最大底鼓量、煤柱幫最大移近量和實體煤幫最大移近量分別為38 mm、112 mm、51 mm、10 mm。綜合上述分析可知，巷道切頂后，圍巖變形量大的狀況得到了有效改善。

4 結論

根據1301 工作面的地質條件，通過分析切頂卸壓控制原理，設計在1301 工作面回風順槽1 和膠帶順槽內實施切頂卸壓方案，切頂鉆孔參數為Φ52 mm×18 m，切縫角度為0°，預裂爆破時采用D 型聚能管進行不耦合裝藥。根據切頂方案實施后的圍巖變形觀測結果可知，巷道切頂后圍巖變形量大的問題得到了有效解決。