高強度開采條件下巷道切頂護巷技術研究

王子升，楊永亮，王 文

(1.國家能源集團 神東煤炭技術研究院，陜西 榆林 719315； 2.國家能源集團神東公司 布爾臺煤礦， 內蒙古 鄂爾多斯 017209； 3.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003)

隨著煤礦開采深度的增加，地壓也越來越大，給巷道維護帶來極大不利，尤其對留大煤柱雙巷掘進方式布置的巷道在上區段工作面回采后，留下來的沿空巷道在經受動壓影響后圍巖出現較大變形破壞，維護十分困難[1-2]。基于該問題，通常采用加強支護的方式進行維護，但效果不太明顯。但目前采用切頂卸壓的方式較為普遍，通過在巷道頂板實施切頂預裂卸壓，使沿空巷道頂板與采空區頂板失去力學聯系，起到提前釋放壓力的效果。常用的卸壓手段主要有爆破預裂、水力壓裂和水力切割等技術[3-5]，而水力壓裂技術雖然比較成熟，但要求條件較高，如專用壓裂設備、井下水壓高、操作繁雜等；水力切割技術雖在個別礦井應用，但技術尚不成熟且造價高。因此，礦井常用的還是爆破切頂的方式進行卸壓，近年來雙向聚能管爆破因其自身具有定向、爆破效果好的優勢應用比較廣泛[6-9]。許多專家學者對定向預裂爆破卸壓技術的技術原理、關鍵參數的確定、現場應用等方面進行了大量的科研工作，均取得不錯的效果[10-15]。

本文以神東礦區布爾臺礦為工程背景，結合該礦煤巖體巖性及其結構特征，提出切頂卸壓關鍵技術及其關鍵參數，并在現場進行工業性試驗。

1 工程概況

布爾臺礦42203工作面開采42煤層，煤層結構簡單，平均煤厚5.91 m，煤層傾角1°～5°，堅固性系數為1.5，埋深在303～431 m。直接頂為砂質泥巖，基本頂為粉砂巖；直接底為砂質泥巖。砂質泥巖抗壓強度49.67 MPa，粉砂巖抗壓強度60.78 MPa。該工作面與22煤層(已回采)間距57～79 m，其西北為未回采的42204工作面，東北為42煤二盤區大巷，東南為42202工作面采空區。42203運輸巷與42204輔運巷之間煤柱寬25 m，工作面布置如圖1所示。

圖1 42203工作面布置示意Fig.1 Layout of No.42203 working face

根據以往工作面回采情況顯示，該礦臨近采空區的巷道變形較為嚴重，維修成本較高，初步原因分析認為由于上覆采空區和煤柱寬度留設較大引起的。上覆22煤層采空區距42煤層工作面平均距離68 m，并且區段煤柱留設寬度25 m較大，致使42204輔運巷處于應力增高區域內。為減小靠近回采工作面鄰近巷道所受采動影響，但鄰近巷道受到的采動礦壓仍然較大，增加了不少維護工作。同時現階段工作面之間的區段煤柱大，煤炭資源浪費十分嚴重，后期將采用沿空掘巷的方式留設區段小煤柱，需要提前了解并掌握沿空掘進的一些技術與方法。基于以上因素，開展切頂卸壓護巷技術研究。

2 切頂卸壓護巷技術

切頂卸壓護巷技術是采用定向爆破、水力切割或水力壓裂等手段切斷煤柱上方的關鍵巖層，使采動或支承壓力在關鍵巖層內的應力傳遞被阻斷，采動或支撐壓力轉移到更深遠的位置，從而大大減小臨空巷道的壓力，實現對沿空巷道的保護。

2.1 巷道圍巖力學分析

如圖2所示，當工作面回采后，回采空間上方的直接頂垮落，巖塊2、3、4失去下方直接頂的支撐，與巖體1形成較長的懸臂，其重力轉移到煤柱和工作面煤壁上，工作面不斷地向前推進，懸臂的面積越來越大，作用在煤壁和煤柱上的壓力也就越大。當工作面推進一定距離時，直接頂上方的關鍵巖體4、3、2相互斷裂，而位于巷道B上方的巖體1在下方煤柱的支撐下不會斷裂，懸臂長度與面積變小。在工作面回采過程中，形成的懸臂長度與巖石本身的堅硬度、上部巖層的巖性和壓力等因素有關。當關鍵層巖體堅硬、完整性好，上部巖性也較好，且巖層厚度較大時，作用在煤柱上的壓力也越大。

圖2 采空區巖體垮落示意Fig.2 Schematic diagram of collapse of rock mass in goaf

當巷道A距離B較近時，巷道A所受的影響就越大。所以在工作面回采過程中，巷道A會多次受到采動影響，造成變形破壞。由此可見，在工作面回采之前或超前工作面一定距離在巷道B內將懸臂切斷，作用于巷道A的影響會顯著減小。

2.2 切頂卸壓數值模擬分析

為驗證切頂卸壓效果，基于42203工作面地質條件，采用FLAC3D模擬軟件建立模型的巖層共分為38層，模型共劃分85 800個單元，模型尺寸為600 m×300 m，在模型底部固定豎向位移，兩邊固定橫向位移；在頂部施加4.1 MPa的垂直應力以模擬上覆巖層自重。分別模擬不切頂和不同切頂高度條件下的應力、位移分布情況，針對該條件下模擬結果進行對比分析。模型計算至穩定后得到不同切頂高度時垂直應力分布云圖、采空區側向支承壓力和巷道圍巖變形量分別如圖3—圖5所示。

圖3 不同切頂高度時應力分布云圖Fig.3 Cloud diagram of stress distribution at different cutting heights

圖4 不同切頂高度時采空區側向支承壓力曲線Fig.4 Lateral abutment pressure curve of goaf with different cutting heights

(1)由圖3和圖4可以看出，在42203工作面采空區穩定后，采空區一側一定范圍內出現應力集中現象，而在采空區邊緣一定范圍內出現應力降低區；該礦42煤層的原巖應力約為16 MPa，在采空區側一段距離內出現應力集中現象。

(2)不切頂時側向支承壓力峰值高達38 MPa，切頂高度12 m時側向支承壓力峰值為28.7 MPa，而切頂高度達到21 m(基本頂高度)以后側向支承壓力峰值為23～24 MPa，并且側向支承壓力峰值位置明顯向深部轉移。

圖5 不同切頂高度時巷道變形量對比 Fig.5 Comparison of roadway deformation with different cutting heights

(3)由圖5可知，切頂后巷道變形量明顯減小，尤其是在切頂高度達到21 m以后，巷道變形量變化不大。綜上所述，切頂12 m時，煤層堅硬頂板未被完全切斷，采空區側一定距離內仍然存在應力集中現象，但巷道變形量整體呈下降趨勢，說明切頂卸壓工作對巷道所處應力環境的改善起到了一定的作用，對控制巷道變形量、保護底抽巷確實有顯著效果。當切頂高度達到21 m后，工作面頂板堅硬巖層被完全切斷，在采空區側的應力傳遞被切斷，應力集中現象消失，此時底抽巷的變形量及應力環境得到明顯的改善，達到了切頂卸壓、保護控制底抽巷巷道變形的效果。

3 現場工業性試驗

3.1 切線卸壓關鍵參數確定

(1)切頂高度。根據上述不同切頂高度模擬分析結果，綜合考慮經濟投入及施工等多方面因素，確定切頂高度21 m時為最優切頂高度，可以達到預期效果。

(2)切頂鉆孔位置。根據切頂卸壓技術原理，鉆孔位置S越小越好，但由于頂板鉆機需要作業空間和方便頂板鉆機施工等客觀因素，鉆孔位置S通常需要取一定數值。結合42203工作面回風巷設備管路布置情況及鉆機設備等實際情況，爆破鉆孔與煤柱幫距離S取800 mm，鉆孔角度向采空區方向偏15°、向回采幫偏5°。

(3)鉆孔直徑。采用現有φ94 mm的鉆頭，成孔直徑為96 mm。

(4)鉆孔間距。爆破鉆孔的間距主要取決于裝藥爆破半徑，也與施工班組的數量、成孔速度、工作面的推進度等有關。切頂應超前回采工作面一定距離，以避開超前壓力的影響。該工作面測定的超前壓力影響范圍在40 m左右，結合該巷道內實際情況，確定超前工作面600 m處開始實施切頂試驗。為了掌握準確的爆破半徑，采取在爆破孔中間布置孔眼，再對孔眼進行窺視的辦法。經過多次打眼、窺視，發現鉆孔間距為1.6 m時，窺視孔裂縫率可達到60%。

3.2 爆破相關參數確定

(1)裝藥結構。42203工作面回風巷頂板在切頂高度范圍從下往上依次為厚4.65 m的泥巖、厚5.03 m的粉砂巖、厚5.35 m的砂質泥巖和厚5.34 m的粉砂巖。不同的巖石，堅固程度不同，爆破難易也不一樣。結合該工作面覆巖結構，采用間隔裝藥模式較有利，將裝藥重點放在巖層堅硬、完整性好的部位。

(2)裝藥密度。裝藥量的多少決定爆破半徑及效果。為了保證鉆孔間距，爆破半徑需要達到0.8 m，在鉆孔內分別裝入線密度為0.8、1.0、1.2、1.4 kg/m的乳化炸藥，藥卷直徑35 mm，長200 mm，質量200 g。隨后爆破，如此多輪試驗。爆破后通過鉆孔窺視，發現線裝藥密度為1.2 kg/m時，鉆孔兩側的切縫發育長度占爆破段長度的60%以上，大于1.2 kg/m時，裂隙長度無明顯增加，但鉆孔孔壁出現多處環狀破壞。經分析，過大的裝藥量在爆破時，其爆破能量過多地作用在鉆孔孔壁上，而不會成比例地作用在切縫上，較大的能量會使孔壁變得更破碎。

(3)裝藥與爆破。裝藥段采用D型聚能管作為載體進行裝藥，為減小D型聚能管連接次數，避免出現截割聚能管的情況，聚能管每段長2 m、直徑63 mm。裝完炸藥后，用黃泥封孔。裝藥過程中，每根聚能管內的炸藥由2發電雷管引爆，正向裝藥，每個電雷管分別與爆破母線并聯。當天的鉆孔一次全部起爆。

圖6 鉆孔裝藥結構Fig.6 Structure diagram of borehole charge

4 應用效果分析

為了掌握實施切頂卸壓后巷道變形狀況，在42204輔運巷未切頂段和切頂段進行了巷道變形監測，評價切頂卸壓效果。

經現場觀測數據分析可知，42204輔運巷在經受42203工作面回采動壓影響后，未切頂段巷道變形量較大，頂底板移近量和兩幫收縮量均已達到500 mm，并且進行返修時非常困難。而實施切頂卸壓試驗范圍內，除了底鼓量達到200 mm外，頂板下沉量55 mm、兩幫收縮量86 mm，巷道變形不明顯。限于大煤柱巷道的問題，切頂卸壓護巷技術不能完全解決巷道變形的問題，但在一定程度上能夠改善巷道圍巖應力環境，解決巷道控制困難的問題，為今后工作面之間煤柱尺寸優化及巷道圍巖控制問題提供較好地解決思路。

5 結論

(1)通過巷道圍巖環境的力學分析，基于大煤柱巷道圍巖變形破壞嚴重的問題，提出切頂卸壓護巷技術。并采用數值模擬軟件對不同切頂高度條件下的效果進行模擬分析，確定合理的切頂高度為21m，結合現場試驗，確定切頂鉆孔間距1 600 mm，鉆孔直徑96 mm，鉆孔距煤柱幫800 mm；采用直徑為63 mm的D型聚能管，線裝藥密度1.2 kg/m。

(2)通過巷道礦壓觀測結果，42203運輸巷實施切頂卸壓護巷技術后，42204輔運巷較以往類似巷道得到明顯改善，巷道變形在可控范圍內，達到預期效果。切頂卸壓護巷技術也為類似礦井條件下工程實施提供技術借鑒，同時也為今后實施小煤柱沿空掘巷提供科學參考。