大采高綜采面懸板切頂預裂控制技術的實踐

李彭波

（山東能源棗礦集團七五煤業公司，山東 棗莊 277000）

在煤礦井下開采過程中，會對迎采動工作面掘進巷道造成擾動，影響巷道圍巖的穩定性。采取預裂切頂，進而切斷本工作面回采動壓對鄰側掘巷的影響，是近年來較為常見的做法。以七五煤業3上219 大采高工作面為對象，根據現場調研情況和礦壓控制理論，進行了端部懸板切頂預裂控制技術的實踐應用研究[1-6]。

1 工程概況

山東能源棗礦集團七五煤業公司主采3上煤層為中厚～厚煤層，煤層平均厚度3.60 m，煤層平均傾角8°。煤層上方直接頂為泥巖，厚度0.60～9.70 m，一般1.70 m 左右，次為砂質泥巖、中砂巖及粉砂巖；基本頂為中砂巖和細砂巖，厚度3 m 左右。3上煤層頂板上方擁有兩層堅硬的石灰巖。

3上219 大采高工作面位于-624 m 水平南二采區東翼，采用大采高一次采全厚長壁采煤法開采。因3上煤層頂板上方有兩層堅硬的石灰巖，必須對其全部爆破切頂，有效切斷該工作面采動應力對鄰側巷道的影響。

2 懸板切頂預裂控制技術的設計思路

（1）對3上219 大采高綜采面以及區段煤巷圍巖、基本支護與超前支護特點等地質生產條件進行確認，建立開采過程中試驗區段煤巷圍巖變形破壞的三維數值模型，得出區段煤巷超前支承壓力的分布范圍與峰值特征，分析其受采動影響程度。分析超前采動影響過程中區段煤巷應力、位移與塑性破壞場演化規律，探究區段巷道在鄰近采空區時的圍巖結構展布特征，分析確定切頂控制措施的具體位置。根據超前采動影響范圍與程度以及開采工藝，研究切頂控制技術實施時序及位置與超前采動影響的關系，并評判提前實施對超前支護段巷道穩定性的影響。

（2）分析煤礦井下頂板預裂控制技術優缺點及其適用性，提出采用雙向聚能爆破切頂技術對端部區域頂板進行提前預裂，以期緩解鄰側巷道經歷采動時圍巖穩定性問題。分析雙向聚能控制爆破技術的優勢，探究雙向聚能裝置的作用機理及聚能效應，基于爆破巖體巖性的差異及其結構特點，確定合適的雙向聚能裝置。分析雙向聚能裝置上聚能孔布置方式、孔間距與巖性、巖體結構以及施工巖體的應力狀態的關系，綜合確定雙向聚能裝置的關鍵參數。

（3）基于3上219 工作面的施工條件，確定3上219 大采高綜采面端部懸板切頂預裂控制的具體方案，并通過現場試驗加以完善，形成最終切頂預裂控制技術方案。

3 雙向聚能預裂爆破技術的應用

3.1 切頂原理分析

七五煤業在沿3上219 工作面推進方向的相向方向留4 m 煤柱開掘3上215 軌道巷，該巷道的開掘主要是為保障下個工作面的正常回采。在3上219 工作面開采中，3上219 工作面產生的超前及側向支承壓力和3上215 軌道巷的超前支承壓力相互疊加，造成巷道圍巖應力集中并急劇增高，對3上215 運輸巷產生不利影響。同時3上219 工作面采用一次采全高采煤方法，在煤層開采后，在采空區上方的覆巖會出現較大破斷和運動，會擾動相鄰3上215 工作面順槽，影響巷道圍巖的穩定性，造成其巷道支護困難。

雙向聚能爆破切頂卸壓圍巖控制技術如圖1。由圖1（a）可知，巷道未進行爆破切頂時，煤層開采后易造成巷道圍巖應力升高；采用雙向聚能爆破切頂后，可使頂板在設計范圍內沿指定切縫線垮落。由圖1（b）可知，該措施可以有效地降低荷載向巷道圍巖的傳遞。對3上219 工作面采用聚能爆破切頂卸壓技術進行切頂施工，可以降低傳遞至3上215 巷工作面輔助順槽的應力，減少3上215 巷在掘進過程中所受采動影響。

圖1 雙向聚能爆破切頂卸壓圍巖控制技術示意圖

3.2 雙向聚能爆破原理分析

雙向聚能爆破原理如圖2，以聚能管圓心O 點為基礎，在Z 軸上布置兩排點狀聚能孔，聚能管裝藥引爆后，部分應力波和爆炸能可沿Y 軸方向的聚能孔中釋放并造成巖體沖切破壞，其余爆炸能沿X軸方向形成集中壓力并對巖體進行擠壓，結果可以在聚能孔方向形成一定深度范圍的裂隙。在3上219工作面巷道內實施，產生的預裂切縫位置位于巷道頂板邊界處，可以較好實現切頂。雙向聚能爆破的破壞程度要適當，否則會影響到3上219 工作面巷道圍巖的穩定性。

圖2 雙向聚能爆破原理示意圖

3.3 預裂爆破參數的確定

根據3上219 工作面巷道的現場施工實況，確定了雙向聚能預裂爆破的試驗參數。

3.3.1 炮孔參數

（1）鉆孔深度。必須對3上219 工作面3上煤層頂板上覆兩層堅硬石灰巖進行預裂爆破切頂，才能切斷采空區與煤柱之間的應力聯系。經計算，本次3上219 巷頂板雙向聚能預裂爆破鉆孔深度確定為13 m。

（2）鉆孔直徑。3上219 巷頂板雙向聚能預裂爆破鉆孔直徑取48 mm，具體參數如圖3。

圖3 鉆孔示意圖（mm）

（3）鉆孔角度及位置。3上219 巷頂板雙向聚能預裂爆破鉆孔角度取值2°左右，逐步爆破切頂作業模式，炮孔距煤壁約100 mm。

（4）孔間距。鉆孔孔間距大小影響爆破效果，孔間距過大會使得爆破效果不佳，孔間距過小會增加爆破工作量及施工作業時間。為保障爆炸效果，確定爆炸孔間距為500 mm（一般條件下堅硬巖層孔間距為500 mm，軟弱巖層孔間距為600 mm，可取得較好切頂效果）。

3.3.2 聚能管參數的確定

采用特制聚能管，外徑42 mm，內徑36.5 mm，管長1500 mm。每孔安裝有8 根聚能管，第8 根聚能管靠近孔口方向截掉0.2 m。

3.3.3 乳化炸藥參數的確定

采用煤礦許用三緩乳化炸藥，規格Ф35 mm×300 mm。 炮 孔 裝 藥 方 案 為： 聚 能 管 為1.5+1.5+1.5+1.5+1.5+1.5+1.5+1.5 m，裝藥方式為“3+3+2+2+2+2+3+3”。

3.3.4 封泥工藝的確定

雙向聚能預裂爆破孔施工采用專業設備，鉆孔采用炮泥封泥工藝，封泥長度確定為2.5 m，爆破前進行安全檢查。

3.3.5 爆破安全

（1）在起爆前要嚴格監測試驗區域瓦斯濃度，達到相關規定方能爆破。

（2）在起爆前30 min 發出起爆預警，相關機械設備和工作人員必須撤離至安全紅線以外的區域。

（3）進一步檢查確認整個爆破網路的連接可靠性和安全性。

（4）爆炸安全員在紅線外值守，確保爆破作業的安全。

（5）整個爆破過程要符合《煤礦安全規程》的要求。

4 應用效果

截至2021 年10 月底，七五煤業3上219 工作面已完成回采約520 m，共計實施雙向聚能預裂爆破孔62 個。對雙向聚能預裂爆破后巷道頂板下沉情況及采空區垮落效果的觀察發現，巷道頂板按設計方向破裂，且隨著工作面的推進而垮落，形成短臂梁，填充密實。雙向聚能預裂爆破切斷了巷道頂板的應力傳遞，保護了臨近3上215 軌道巷不受回采動壓影響。經觀測統計，工作面巷道超前應力區、架后破壞區、成巷穩定區的頂板最大下沉量分別為150 mm、190 mm、95 mm，自身巷道穩定性較好。