預裂爆破切頂卸壓沿空留巷技術應用

董 凱

（山西晉煤集團翼城晟泰青洼煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

在我國國民經濟飛速發展的過程中，社會對煤炭這種基礎能源的需求持續增加，為保證煤炭資源采出率的提升、礦井服役年限的延長、煤巷掘進工程量的降低、采掘接替矛盾的緩解及搬家時間的縮短，沿空留巷技術在煤企中的應用越來越廣泛。當沿空留巷施工方案不同時，所遇到的施工難題也不盡相同，沿空留巷施工期間也會頻繁出現圍巖松軟、煤巷支護困難等問題。為有效應對以上問題，提升煤礦安全生產效率，煤礦企業紛紛采取水力切頂、優化柔模混凝土設計等方式改善煤巷支護、維護巷道穩定。

1 工程概況

2207綜放工作面地面位置位于青洼煤業炸藥庫以東，工作面范圍內上部地表為丘陵地帶，多為山地，植被覆蓋，地形簡單，工作面地表無河流通過，其余無村莊、鐵路、公路等需保護的構筑物。2207綜放工作面位于二采區東南部，地面標高+1165.8～+1275m，井下標高+979～+1041m，蓋山厚度+123.782～+287.042m。井下相鄰2206工作面（未掘）以東，二采區運輸巷（已掘）以南，青洼煤業東礦界以西，原青洼煤業老三采區（已采）以北。工作面停采線距二采區運輸巷最短距離為50m。

本工作面開采煤層為2#煤層，呈釉黑色，似金屬光澤，性脆，硬度一般，比重1.43t/m3，貝殼狀斷口，裂隙發育，以鏡煤、亮煤為主，暗煤、絲炭次之。在煤層中呈凸鏡體或不規則薄層。屬半亮型—半暗型煤。該工作面煤層煤質較軟，煤層中夾0～1層夾矸，夾矸厚度為0.2～0.3m；傾角為2.2°～6.9°，平均4.55°，煤層平均厚度為3.9m，穩定可采。工作面老頂為厚3.25m泥巖，直接頂為厚4.43m粉砂巖，直接底為厚1.5m泥巖，老底為厚7.0m粉砂巖。本工作面受S1向斜影響，煤層傾角呈較大變化，局部裂隙及節理發育，必須采取相應頂幫管理措施，保證安全生產。

2 技術原理

回采工作面后，在短臂梁的影響下采空區周圍巖層及煤柱上方因無法及時垮落而出現懸頂，通過爆破切頂卸壓技術，可在預裂切縫線上進行炮眼施工，并通過雙向聚能裝藥裝置的應用，充分利用炮孔周圍巖層在特定方向自由面受壓應力以及非特定方向自由面手拉應力，在切縫線上形成預裂面，避免發生懸頂回轉，延緩垮落時間，提前釋放應力，起到阻礙采空側塑性區持續擴大、切斷頂板應力傳遞[1]的作用，減弱頂板壓力、保護煤巷。2207綜放工作面預裂爆破卸壓施工斷面詳見圖1。

圖1 爆破預裂卸壓施工斷面示意圖

通過聚能管集中爆轟沖擊波技術實現振動波向槽縫兩側傳遞的目的，強烈的沖擊力作用于孔壁后將在孔壁上形成初始裂隙；在聚能管的集中作用下，管道兩側孔壁受力更為集中，并會形成更長的初始裂隙，此后，沖擊波逐漸衰減，并成為應力波后與爆生氣體一起向初始裂隙施加準靜壓作用，裂隙會因此而不斷向兩側深處擴展，從而在兩側巖層結構中形成貫穿型裂隙[2]。青洼煤業2207綜放工作面預裂爆破切頂卸壓沿空留巷施工過程中，全部炮孔同時起爆時爆生氣體所產生的準靜力場必將發生疊加，大大增強炮孔之間的張拉作用，在圍巖巖層抗拉強度遠遠超出抗拉強度的作用下，裂紋更為快速地擴展；在相鄰炮孔間距適宜的情況下，裂縫將快速貫通后形成較為光滑的斷裂面。

3 技術應用

3.1 恒阻錨索補強支護

切頂及周期來壓過程中煤巷的穩定性較難保證，為此在進行該綜放工作面頂板預裂切頂施工前，必須進行恒阻錨索補強。具體而言，應與頂板垂直布置兩列恒阻錨索，錨索直徑21.8mm，長12.3m；恒阻器外徑88mm，長500mm，設計恒阻值330±20kN，預緊力不小于280kN。第一列錨索排距1600mm，與留巷幫距離300mm，通過BHW-300-3.60型W鋼帶進行錨索間連接；第二列錨索排距1600mm，與第一列錨索距離500mm。

3.2 動壓加強輔助支護

沿空留巷過程中，順槽頂板的穩定性將受到綜放工作面開采動壓的不利影響，為此必須加強煤巷臨時支護。結合類似礦井開采經驗及本礦井地質情況，將超前工作面30m以內的區域設置為超前支護區，液壓支架以后150m以內的區域設定為架后支護區，液壓支架以后150m以外的區域則設置為穩定區。在以上三個區域分別采取有效的單體液壓支柱臨時支護措施。

3.3 預裂爆破

結合2207綜放工作面頂板圍巖結構，針對其煤巷沿空側頂板，進行走向頂板中深孔超前切縫、傾向頂板超前深孔預裂卸壓切頂。

聚能管裝藥爆破方式下切縫方向巖石集中受力，且沿預定方向斷裂，能起到頂板保護和預裂的作用。其中，通過應用雙向聚能管進行頂板爆破后，所產生的深處裂縫能向上延伸至垂直高度最大值，結合預裂爆破切頂卸壓沿空留巷技術原理，頂板能不能根據設計深度、借助巖石碎漲作用將采空區填實，關系著空留巷圍巖形變的嚴重程度。與此同時，切縫炮孔豎直向和軸向的夾角即為切頂角度，必須使炮孔兩側巖塊構成鉸接結構、傳遞壓力，頂梁才能順利地沿切縫面滑落[3]。

考慮到2207綜放工作面頂板質硬，必須通過超前深孔爆破、增大深部裂隙半徑等方式，才能在頂板來壓過程中沿裂隙區順利斷裂，使留巷區頂板水平壓力值有效減弱。沿膠帶順槽按照20m的間隔設置傾向切斷孔，布孔方式采用扇形方式，三個孔構成一組炮孔。預裂爆破切頂卸壓沿空留巷鉆孔參數具體如表1所示。

表1 預裂爆破切頂卸壓沿空留巷鉆孔參數設計

4 結論

綜上所述，預裂爆破切頂卸壓沿空留巷技術在青洼煤業2207綜放工作面的成功應用為該技術在煤炭企業中的推廣提供了寶貴經驗。預裂爆破切頂卸壓沿空留巷期間，通過本文提到的聯合補強支護方式的應用，該綜放工作面煤巷圍巖變形得到有效控制，并有效緩解了采掘銜接緊張的局面，避免了常規留設煤柱做法下對煤炭資源的浪費，使礦井服役年限延長，經濟效益和社會效益十分顯著。