焦家寨礦深井高地應(yīng)力切頂護(hù)大巷關(guān)鍵技術(shù)研究

張金龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 軒崗煤電有限責(zé)任公司，山西 忻州 034114）

1 概 況

焦家寨礦221 采區(qū)下山延深共3 條下山，平均埋深超過(guò)600 m，22116 工作面位于礦井+680 水平，擴(kuò)221 采區(qū)，開(kāi)采2 號(hào)煤層，工作面走向長(zhǎng)810 m，傾斜長(zhǎng)146 m。工作面標(biāo)高+789—831 m，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高+1 355—1 265 m，平均埋深680 m。工作面井下位于礦井深部水平，改擴(kuò)建221 采區(qū)下部，上界為221 采區(qū)22114 采空區(qū)，下界為實(shí)體煤層，西為221 總回風(fēng)巷、221 軌道巷及221 區(qū)皮帶巷，東為井田保安煤柱。大巷之間的關(guān)系及其與采煤工作面之間的關(guān)系如圖1 所示，自西向東分別為221 區(qū)皮帶下山延深、回風(fēng)下山延深、軌道下山延深，下山之間間距31.3 m 和36 m。2 號(hào)煤層平均厚度4.7 m，最大厚度7.3 m，采用低位放頂煤回采方法，采高較大，采動(dòng)影響范圍遠(yuǎn)，采動(dòng)壓力較大，且3 條下山均布置在煤層中，抵御礦壓的能力較弱。

圖1 221 區(qū)軌道下山延伸布置示意Fig.1 Layout of track downhill extension in 221 area

以往回采過(guò)程中，工作面停采線距離軌道下山延深約41～86 m，在工作面接近停采線時(shí)，下山變形破壞嚴(yán)重，頂板下沉、兩幫幫鼓、底板底鼓，巷道斷面大幅收斂，為此礦方投入了大量的人力、物力對(duì)下山進(jìn)行返修，返修工程量大、費(fèi)用高。為了較好地保護(hù)采區(qū)巷道，防止綜放工作面開(kāi)采所產(chǎn)生的采動(dòng)壓力對(duì)采區(qū)巷道產(chǎn)生變形、甚至破壞，對(duì)礦井后期的生產(chǎn)和安全構(gòu)成不利影響，對(duì)焦家寨礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)研，對(duì)221 采區(qū)大巷及22116 工作面地質(zhì)及開(kāi)采條件進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出合理的切頂卸壓方案及爆破相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖變形的有效控制。

2 工作面停采線切頂卸壓方案

工作面開(kāi)采時(shí)，產(chǎn)生的采動(dòng)壓力較大，且會(huì)超前于工作面本身向前傳遞。切頂卸壓護(hù)大巷即在22116 停采線附近采用爆破的方式切斷工作面與采區(qū)大巷之間上方頂板的力學(xué)聯(lián)系，使工作面內(nèi)的采動(dòng)壓力向上方更深的地方與兩側(cè)實(shí)體煤轉(zhuǎn)移，減小工作面采動(dòng)應(yīng)力影響范圍，降低其大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面前方的采區(qū)大巷的保護(hù)作用，為礦井長(zhǎng)期正常與安全生產(chǎn)提供保障。

2.1 切頂卸壓方式的選擇

工作面頂板切頂卸壓逐漸成為解決動(dòng)壓巷道高應(yīng)力問(wèn)題的重要技術(shù)手段，主要有爆破法和水力壓裂法。

爆破法是最早發(fā)展起來(lái)的，也是世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的卸壓技術(shù)，最早應(yīng)用于南非金礦，目前廣泛應(yīng)用于沖擊地壓防治、煤與瓦斯突出防治、堅(jiān)硬頂板放頂?shù)阮I(lǐng)域。水力壓裂技術(shù)除了廣泛應(yīng)用于地應(yīng)力測(cè)試外，在采空區(qū)堅(jiān)硬頂板處理、煤層沖擊地壓防治、瓦斯突出防治和煤層瓦斯增透等方面也得到嘗試和應(yīng)用，從水力壓裂在礦山的應(yīng)用來(lái)看，應(yīng)用于煤層的案例數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于巖層，主要原因在于煤層內(nèi)應(yīng)用水力壓裂需要的壓力不大，技術(shù)要求相對(duì)簡(jiǎn)單。

考慮爆破切頂卸壓相對(duì)較為成熟，能夠保證定向預(yù)裂，此次焦家寨礦22116 工作面確定采用爆破預(yù)裂切頂卸壓。

2.2 預(yù)裂爆破切頂施工位置的選擇

工作面頂板爆破預(yù)裂切頂?shù)奈恢弥饕? 種：①工作面兩巷深孔預(yù)裂爆破（停采線外15～30 m），超前爆破，不占用工作面檢修和生產(chǎn)時(shí)間，效率較高，不用開(kāi)掘?qū)Ｓ玫墓に囅铮锏拦こ塘可伲绊憙上锏倪\(yùn)輸與維護(hù)，要求兩巷的斷面較大；②工藝巷深孔爆破預(yù)裂（平行于采面布置，停采線外15～30 m），增加了巷道的掘進(jìn)量，投資較大，采煤與掘進(jìn)相互干擾，增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜性，與在兩巷爆破相比，爆破孔施工深度較小，施工難度小，爆破效果較好；③工作面架間深孔爆破（停采線），有利于充分利用爆炸能量，但空間小，施工難度大，安全性差。

通過(guò)對(duì)上述3 種位置的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，第2 種工藝巷深孔爆破預(yù)裂掘進(jìn)工程量較大，經(jīng)濟(jì)上不合理，而且采掘系統(tǒng)相互干擾，增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和安全隱患，第3 種也存在施工難度大、安全性差的問(wèn)題，而第1 種則具有工程量較小、對(duì)生產(chǎn)影響較小的優(yōu)點(diǎn)，只是炮孔深度較大，具有一定的施工難度。綜合考慮選擇第1 種位置，即在兩巷內(nèi)布置爆破孔進(jìn)行爆破預(yù)裂。同時(shí)考慮22116 工作面接近停采線時(shí)，避免出現(xiàn)切頂后的大面積懸頂作用于支架，因此保留一定的安全距離，其安全距離應(yīng)不小于老頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距，周期來(lái)壓步距約15～20 m，因此確定切頂位置與停采線的距離為20 m，如圖2 所示。

圖2 切頂位置布置示意Fig.2 Layout of cutting top position

2.3 目標(biāo)切頂高度的確定

切頂卸壓成功的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵層的切頂。通過(guò)在停采線附近兩巷內(nèi)布置深孔炮眼，裝藥爆破切斷關(guān)鍵巖層，從而減少回采過(guò)程中采動(dòng)應(yīng)力對(duì)大巷的破壞。根據(jù)22116 工作面Ⅵ02 地質(zhì)鉆孔資料，巖層巖性及厚度特征如圖3 所示，頂板上方分別為5.57 m 中粒砂巖、4.64 m 泥巖和9.68 m 粗粒砂巖。通過(guò)分析，5.57 m 中粒砂巖為亞關(guān)鍵層，直覆煤層上方，在礦山壓力作用下可直接破斷垮落；9.68 m的粗粒砂巖為主關(guān)鍵層，位于垮落帶上部、彎曲下沉帶下部，不易破斷，是此次目標(biāo)切頂巖層。目標(biāo)切頂高度為24.6 m，考慮10%的巖層厚度變化，以及2 m 開(kāi)孔考度，實(shí)際確定切頂高度為25.06 m。

圖3 Ⅵ02 地質(zhì)鉆孔Fig.3 VI02 geological drilling

2.4 兩順槽爆破切頂方案

爆破參數(shù)包括炮孔深度、炮孔間距、起爆方式等。

（1）炮孔直徑。考慮爆破效果、施工機(jī)具以及鉆眼工程量等因素，確定預(yù)裂爆破的炮孔直徑為50～55 mm，可根據(jù)機(jī)具情況適當(dāng)調(diào)整，鉆孔直徑應(yīng)為PE 管外徑的1.2～1.3 倍。

（2）炮孔深度。如前所述，為了保證切頂卸壓效果，切頂?shù)母叨葢?yīng)進(jìn)入煤層頂板的主關(guān)鍵層，綜合考慮巖層厚度變化、開(kāi)孔位置等，實(shí)際切頂高度為25.06 m，鉆孔深度根據(jù)切頂高度、鉆孔傾角和煤層傾角確定。

（3）炮孔間距。綜合考慮應(yīng)力波疊加作用、頂板巖性及深孔預(yù)裂爆破等因素，借鑒深孔預(yù)裂爆破工程經(jīng)驗(yàn)，炮孔孔底間距不超過(guò)10 m。

（4）封孔長(zhǎng)度。為保證安全及爆破效果，封孔長(zhǎng)度應(yīng)大于爆破孔長(zhǎng)度的30%。

（5）裝藥結(jié)構(gòu)。合理的裝藥結(jié)構(gòu)能夠避免拒爆、殉爆發(fā)生，提高爆破效果。此次采用單雷管引爆，一次起爆的所有雷管采用同一段別，孔內(nèi)均采用并聯(lián)連接，孔間采用串聯(lián)連接。采用3 m 長(zhǎng)的PE 管作為載體，PE 管之間不需要連接，每根PE管內(nèi)裝1 列10 卷炸藥。

綜上分析，此次設(shè)計(jì)的鉆孔布置詳情如圖4 及表1。

表1 22116 工作面兩巷深孔預(yù)裂爆破參數(shù)Table 1 No.22116 Face two roadway deep hole pre-splitting blasting parameters

圖4 鉆孔布置示意Fig.4 Borehole layout

3 應(yīng)用效果分析

在22116 工作面對(duì)應(yīng)221 下山范圍內(nèi)每間隔50 m 設(shè)置1 個(gè)測(cè)站，共計(jì)5 組，每周觀測(cè)3 次，巷道變形速度較快時(shí)，相應(yīng)增加觀測(cè)次數(shù)；變形穩(wěn)定后，減少至每周1～2 次。在22116 工作面停采后，得到軌道下山圍巖變形曲線如圖5 所示。

圖5 軌道下山表面位移量監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Monitoring results of surface displacement of track downhill

工作面停采約2 個(gè)月后，巷道表面變形量基本保持不變，兩幫變形量增幅為20～30 mm，頂?shù)装逶龇鶠?0～45 mm，整體變化量很小，采動(dòng)壓力對(duì)采區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響明顯減小，此卸壓方式能夠很好滿足維護(hù)采區(qū)下山的需要。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)焦家寨礦采區(qū)巷道在回采工作面采動(dòng)影響下圍巖控制問(wèn)題，基于22116 工作面實(shí)際地質(zhì)條件，通過(guò)理論分析、工程類比、礦壓監(jiān)測(cè)等方法進(jìn)行切頂卸壓。22116 工作面采用爆破預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)，切頂位置與停采線的距離為20 m，切頂目標(biāo)巖層為9.68 m 的粗粒砂巖主關(guān)鍵層，設(shè)計(jì)炮孔深度、炮孔直徑、炮孔間距等具體參數(shù)。22116 工作面進(jìn)行爆破預(yù)裂切頂卸壓后，采取軌道下山在采動(dòng)影響下兩幫移近量增幅為20～30 mm，頂?shù)装逶龇鶠?0～45 mm，巷道圍巖穩(wěn)定性良好，保護(hù)了采區(qū)巷道，滿足礦井安全生產(chǎn)的需要。