綜放工作面巷道爆破切頂卸壓技術應用

劉 瑩，侯宇峰，陳玉龍

（1.陽泉市燕龕煤炭有限責任公司程莊煤礦，山西 壽陽 045000；2.陽泉市燕龕煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000；3.晉能控股山西科學技術研究院（太原）科技公司，山西 太原 030000）

0 引言

晉能控股煤業集團程莊煤礦礦井位于陽泉市郊區河底鎮程莊村西1.5 km 處，地跨陽泉市郊區河底鎮和盂縣路家村鎮，生產規模為240 萬t/a，獲批開采3#～15# 煤層，井田東西長4.793 km，南北寬2.2 km，井田面積9.816 7 km2。礦井現開采的15#煤層位于石炭系上統太原組下部，上距9#煤層88.94 m，煤層厚度6.20～7.40 m，平均厚為7.30 m，為全井田穩定可采煤層，井田內結構簡單，大多不含夾矸，局部含3 層夾矸，煤層頂板為K2 石灰巖，有0.8 m 厚炭質泥巖偽頂，底板為砂質泥巖。

程莊煤礦15#號煤層工作面區段保護煤柱一般留設20 m 以上，造成煤炭采出率低、兩工作面兩端頭懸頂面積大的同時，經過現場觀測發現，順槽在遇到采動影響時，鄰近工作面開采時側向支承壓力和現采工作面超前支承壓力在區段保護煤柱上方及周圍出現疊加引起應力集中，從而使得區段保護煤柱及其順槽巷發生變形、底鼓等現象[1]，巷道位于高應力區，增加了巷道維護難度等問題。所以為了實現小煤柱沿空掘巷、提高礦井（采區）回采率及緩解礦井工作面的接替緊張矛盾、減少巷道的維修工程量[2]、確保工作面巷道的安全使用，決定對程莊煤礦厚煤層綜放工作面實施深孔爆破切頂卸壓技術。

1 概述

晉能控股煤業集團程莊煤礦15314 工作面位于井田西部靠近井田邊界、主要大巷北翼。西部為山西圣天寶地清城煤礦，北部為盂縣恒泰皇后煤業有限公司南部為15#煤層主要開拓大巷。東部為15312 設計工作面。上覆9#煤層對應為本礦9508 工作面采空區，由于9#～15#煤層層間距90 m，對15314 工作面采掘無影響。

15#煤層位于太原組下部，煤層厚度6.20～7.40 m，平均7.30 m，煤層結構簡單～復雜，一般含0～3 層泥巖夾矸，煤層的可采性指數為1，煤層厚度變異系數為8.54%。

15314 工作面設計長度為1 515 m，傾向長度為230 m，工作面共布置有5 條巷道，分別為：進風順槽、回風順槽、開切眼、低抽巷、高抽巷；進風順槽、回風順槽、切眼均沿15#煤層底板掘進，低抽巷沿15#煤頂板掘進，現已封閉，高抽巷沿10#煤煤層頂板掘進，現已封閉；進風順槽、回風順槽、低抽巷、高抽巷大致沿煤層的傾向布置，工作面切割巷沿煤層走向布置，15314 工作面低抽巷距離回風順槽15 m，15314 高抽巷沿10#煤層頂板掘進,距15#煤層垂直距離60 m，距回風順槽水平投影距離58 m。

為了保證工作面煤柱最大限度回采，降低煤柱應力破壞現象，決定對15314 工作面采取深孔爆破切頂卸壓技術。

2 工作面采場礦壓觀測分析

2.1 觀測方法

15314 工作面支架初撐力、工作阻力采用實時在線監測；兩端頭懸頂垮落情況、兩順槽超前錨桿（索）支護載荷變化情況、巷道頂底板及兩幫移近量均采用人工觀測。

2.2 測站布置

1）15314 工作面安裝有1 套礦壓在線監測系統，工作面兩端頭過渡支架均布置一組測站，中間架每10 個支架設置一組測站，測站編號從進風端頭開始順序編號，每架支架安設一個壓力傳感器，綜放工作面壓力傳感器通道接前立柱，用于實時工作面支架的初撐力、工作阻力。

2）進回風順槽每50 m 分別在頂板錨桿、錨索安裝有1 臺機械式油壓壓力枕，用于監測錨桿（索）支護載荷變化情況，每7 d 進行1 次觀測。

3）進回風順槽每50 m 分別布置1 個巷道頂底板及兩幫移近量觀測站，采用“十”字觀測法，每7 d 進行1 次觀測。

2.3 觀測結果分析

1）15314 工作面初采期間，當工作面推進11 m后，機架推出切割巷，機頭機尾頂煤逐漸開始垮落；當工作面向前推進度進風22.2 m，回風16.2 m，采空區直接頂初次垮落，厚度1.1～2 m，支架壓力開始逐步增大，因此，15314 工作面直接頂初次垮落步距為16.2～22.7 m，平均19.4 m。

2）15314 工作面推進至29 m 時，工作面第一次出現壓力增大現象，多數支架工作壓力為30～38 MPa之間，聽到“轟轟”的斷裂聲，部分支架尾梁處可見矸石，分析為基本頂矸石垮落。因此，15314 工作面頂板初次來壓步距為29 m。

3）根據支架工作阻力監測曲線圖和工作面現場實際觀測情況分析，工作面的周期來壓步距為18～20 m。工作面周期來壓時，能聽到頂板“轟轟”的斷裂聲，且煤壁多處片幫，并且支架壓力表讀數普遍增大，支架工作阻力明顯增大[3]。

4）15314 工作面進、回風順槽兩端頭采用超前液壓支架進行端頭支護和加強支護，超前支護長度20 m。經過觀察得知，在周期來壓期間，進回風順槽超前支架壓力表讀數明顯增大，并且有支架安全閥卸液現象。

5）15314 工作面回采期間，兩順槽20 m 超前支護外錨桿（索）支護載荷、頂底板及兩幫移近量僅在初采期間觀察到有數據變化，隨著后期工作面正常推進，未觀察到數據變化。因此15303 工作面兩順槽超前應力影響范圍不超過20 m。

3 深孔爆破切頂卸壓技術應用

3.1 預裂切頂卸壓原理

切頂卸壓技術即是在工作面回采前，在本工作面超前一定距離內，利用預裂爆破技術在巷道上方和煤柱幫上方基本頂之間形成切縫，避免煤柱幫上方頂板出現“O-X”破斷情況[4]，切斷煤柱側頂板與采空區側頂板之間的聯系，消除或減弱采空區側基本頂回轉、斷裂、垮落對煤柱側的影響，使側向支承壓力峰值降低并向深部移動，有效降低巷道圍巖應力集中程度[5]。

3.2 切頂卸壓爆破孔布置參數

1）為了實現小煤柱回采，決定對15314 運輸順槽實施切頂卸壓技術，卸壓鉆孔布置在運輸順槽沿巷道軸向超前回采工作面進行打孔和爆破，工作面后方頂板在回轉作用下沿定向預制裂隙貫通，使采空區頂板能夠沿著預裂切頂線及時垮落。

2）鉆孔深度為14 m，直徑為50 mm，鉆孔布置間距為0.8 m，鉆孔布置在距煤壁0.3 m 處，切縫整體呈直線布置，鉆孔與水平方向的夾角為0°，鉆孔與豎直方向的夾角90°，鉆孔封孔長度為5.0m，爆破長度為9.0 m，如圖1 所示。

圖1 15314 進風巷爆破預裂鉆孔布置示意圖

3.3 爆破施工工藝

1）爆破預裂孔施工完后對鉆孔內安裝D 型聚能管，每節聚能管長度為2.0 m，直徑為33 mm，鉆孔內共計安裝5 節聚能管，采用專用工具在聚能管內進行連續充填，爆破孔口采用炮泥封孔。

2）聚能管安裝后對鉆孔內安裝三級礦用乳化炸藥，單孔裝藥量確定為5.6 kg，礦用三級乳化炸藥200 g/卷，每孔需要28 卷炸藥。用單孔間隔裝藥方式。一次起爆的切縫孔數量1～3 個。遇到巷道交叉口等特殊地段要減少一次起爆孔數量。

3.4 爆破切頂卸壓注意事項

1）爆破前，在爆破地點前后10 m 范圍內距煤柱幫1 200 mm 處順巷支設一排帶帽單體點柱加強支護，柱距1 000mm；柱帽采用11#礦用工字鋼或∏型鋼梁，長度1 000 mm。

2）爆破作業期間，回風順槽內嚴禁有人員逗留。爆破人員在距工作面爆破地點300 m 外進風順槽內放炮，并等有害氣體沖散后方可再進入工作面。已經爆破的區域嚴禁任何人員進入。

3）在遇地質構造（斷層、陷落柱等）變化區域、頂板破碎嚴重區域嚴禁進行切頂卸壓施工作業，應采取相應的加強支護措施；切頂作業應在不受工作面采動應力影響區域，超前工作面兩順槽超前支護范圍以外50 m。

4）15314 進風巷從巷道開口起，開始布置測站并編號。分別在15314 進風巷、掘進工作面開口處、所有斷面變大的交叉點處、地質構造段前后5 m 處、頂板完好段每隔50 m 布置頂板離層儀，并實時進行觀察。

4 結語

通過對15314 進風巷頂板采取深孔爆破切頂卸壓技術后，工作面在后期回采過程中采空區頂板沿切頂線實現了全部垮落，進風巷圍巖及預留的小煤柱未出現受應力作用出現垮落、破碎現象，小煤柱預留完整性好，控制了圍巖變形現象；同時采用切頂卸壓技術后，實現了工作面小煤柱及無煤柱回采，與傳統預留寬煤柱相比，采用切頂卸壓技術實現小煤柱回采后，15314 工作面可增加煤柱回采量達1.45 萬t，取得了顯著應用成效。