運(yùn)輸順槽深孔爆破斷頂卸壓護(hù)巷技術(shù)研究

張 杰 李開(kāi)賢 陳 勇

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

隨著煤炭開(kāi)采的深入，深部巷道周?chē)脑粦?yīng)力一般都非常大且復(fù)雜[1-3]。究其原因，不僅是高垂直應(yīng)力的影響，水平應(yīng)力也會(huì)影響巷道的穩(wěn)定性。巷道支護(hù)非常關(guān)鍵，但不是確保安全的長(zhǎng)期策略，因?yàn)椴傻V應(yīng)力不斷增加且復(fù)雜。隨著卸壓要求和安全標(biāo)準(zhǔn)的提高，注水、鉆孔、水力壓裂和開(kāi)挖卸壓巷道等傳統(tǒng)卸壓技術(shù)通常會(huì)帶來(lái)繁重的工作量和高昂的成本。由于深部開(kāi)采環(huán)境應(yīng)力較大，巖石具有整體性好、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在煤層頂部會(huì)形成又厚又硬的頂板。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，巷道和工作面的高強(qiáng)度礦壓一直是影響平均煤炭產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[4]。切頂卸壓技術(shù)可有效控制巷道頂板巖層的連續(xù)性和穩(wěn)定性，降低動(dòng)壓影響范圍。該文針對(duì)濟(jì)寧二號(hào)煤礦93下11-2 工作面運(yùn)輸順槽在采動(dòng)影響下巷道圍巖變形較大、影響正常安全使用的現(xiàn)狀，提出了采用深孔爆破斷頂卸壓護(hù)巷技術(shù)進(jìn)行側(cè)向預(yù)裂，以確保93下11-2 運(yùn)輸順槽的穩(wěn)定性，研究成果為類(lèi)似條件下的巷道變形控制提供了科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

93下11-2 工作面位于九采區(qū)西部，北側(cè)距九采西部探煤巷約251 m，南側(cè)東部為沖刷無(wú)煤變薄區(qū)，南側(cè)西部為93下11-1 工作面，南側(cè)上方為93上13、93上15 工作面采空區(qū)，西側(cè)為設(shè)計(jì)的93下12、93下13 工作面，東側(cè)為93下09 工作面采空區(qū)，工作面上方有93上13 原運(yùn)輸順槽和九采西部3上探煤巷。工作面標(biāo)高-701.9～-748.3 m，地面標(biāo)高+33.34～+42.80 m。工作面回采前期隨采隨加支架進(jìn)行擴(kuò)面生產(chǎn)，后期軌、運(yùn)順設(shè)備互換隨采隨減支架進(jìn)行縮面生產(chǎn)。工作面長(zhǎng)94.3～370.8 m，推進(jìn)長(zhǎng)度975～977 m。煤3下內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層傾角1°～6°，工作面煤厚2.4～4.9 m，平均3.3 m，普氏系數(shù)f一般在1.91 左右，為軟～中等硬度煤層。93下11-2 工作面位置關(guān)系如圖1。

圖1 93下11-2 工作面位置關(guān)系圖

93下11-2 工作面運(yùn)輸順槽沿煤層底板掘進(jìn)，由于受93下11-2 工作面采動(dòng)影響，93下11-2 運(yùn)輸順槽頂?shù)装搴蛢蓭统霈F(xiàn)嚴(yán)重的變形，巷道頂?shù)装遄畲笠平窟_(dá)750 mm，同時(shí)巷道頂板錨索支護(hù)材料出現(xiàn)破斷的現(xiàn)象。

2 深孔爆破切頂卸壓技術(shù)原理與方案

2.1 切頂卸壓技術(shù)原理

當(dāng)堅(jiān)硬頂板懸露的面積較大，難以發(fā)生垮落時(shí)，采用爆破的方法可以致使頂板巖層破斷，讓頂板一部分巖層先垮落到采空區(qū)。該部分巖層的垮落并不能形成較大的沖擊，同時(shí)可在采空區(qū)內(nèi)形成具有一定厚度的墊層，既可以減小頂板的懸露面積，還可以避免頂板在短時(shí)間大范圍出現(xiàn)垮落造成強(qiáng)大沖擊，有效防治煤礦煤巖動(dòng)力災(zāi)害[5-7]。

深孔預(yù)裂爆破切頂卸壓是在鉆孔底部集中裝藥爆破，釋放煤巖積聚的彈性能量，還可以產(chǎn)生松動(dòng)區(qū)，緩解巷道附近的應(yīng)力集中。合理的爆破參數(shù)可促進(jìn)煤巖破碎程度和范圍，加強(qiáng)卸壓程度和調(diào)峰深度，適用于較寬的應(yīng)力邊界。

工作面開(kāi)采時(shí)，工作面開(kāi)采影響范圍內(nèi)的巷道斷面變形速度快，控制難度大。為了盡可能減小開(kāi)采應(yīng)力對(duì)周?chē)锏赖挠绊?，設(shè)計(jì)了深孔爆破切頂作業(yè)。通過(guò)提前切割頂板，工作面與巷道頂板之間的連續(xù)結(jié)構(gòu)被切斷，從而阻礙了采礦引起的應(yīng)力傳遞，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境得到了改善，保證巷道的穩(wěn)定性[8-9]。

2.2 深孔爆破斷頂卸壓方案

2.2.1 爆破切頂高度

根據(jù)93下11-2 工作面頂板巖層情況，上覆巖層從下至上分別為泥巖（平均厚度為13.04 m）、中細(xì)砂巖互層（平均厚度為15.16 m）、粉砂巖（平均厚度為1.75 m）、煤層（平均厚度為0.9 m）、粉砂巖（平均厚度為2.02 m）、中砂巖（平均厚度為20.95 m）。93下11-2 工作面上覆巖層深孔預(yù)裂爆破需要處理的巖層為上覆的中砂巖和中細(xì)砂巖互層。為了保證停采線(xiàn)位置處的頂板軟化，爆破高度45 m。

2.2.2 爆破切頂角度

實(shí)體煤上方的斷裂體A 和采空區(qū)內(nèi)的斷裂體B發(fā)生摩擦而形成平衡體，二者產(chǎn)生滑移失穩(wěn)的條件：

（Tcosθ-Rsinθ）tanφ≤Rcosθ+Tsinθ（1）

式中：T、R分別為斷裂體B所受的水平應(yīng)力、剪切力，kN；θ為切頂?shù)慕嵌龋ā悖沪諡锳與B間的摩擦角，取值32.5°。

式中：q為斷裂體B 所受的均布載荷，kN；l為B 的長(zhǎng)度，取值21 m；H為老頂?shù)暮穸龋≈?.6 m，ΔH為斷裂體B 的下沉量，取值3.3 m。

聯(lián)立（1）（2）式可得：

計(jì)算可得θ=15°，切頂?shù)难鼋菫?0° -15°=75°。

2.2.3 鉆孔間距

在深孔預(yù)裂爆破時(shí)，由爆破后巖體的破碎程度可以劃分為破碎區(qū)、裂隙區(qū)以及震動(dòng)區(qū)。在裂隙區(qū)范圍的巖體受剪切破壞，徑向裂隙較為發(fā)育，而切頂卸壓可以通過(guò)爆裂隙的貫通從而形成弱面。所以，把爆破的影響范圍控制在裂隙區(qū)可以起到切頂?shù)男ЧＡ严秴^(qū)的半徑可由以下公式計(jì)算：

式中：b為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)；α=2-b；σcd為單軸抗壓強(qiáng)度，取60.0 MPa；σtd為單軸抗拉強(qiáng)度，取1.5 MPa；ρ0為炸藥密度，取1400 kg/m3；Dv為炸藥爆速，取3000 m/s；η為爆炸物絕熱系數(shù)，取6.1；n為炸藥與孔壁接觸時(shí)的壓力增大系數(shù)，取3.3；μd為泊松比，取0.25；le為軸向裝藥系數(shù)，取1.0；Kp為裝藥不耦合系數(shù)，取1.8；rd為炮孔半徑，取30 mm。

將以上參數(shù)代入（4）式可以得出鉆孔裂隙區(qū)的半徑為7.5 m。本方案選擇隔孔裝藥方式，即相鄰爆破孔之間設(shè)置自由孔，鉆孔間距15 m。

2.2.4 鉆孔布置

1）走向鉆孔

93下11-2 運(yùn)順自93下11-2 切眼開(kāi)始向外，面向回采方向，沿巷道走向施工64 個(gè)走向鉆孔，每組1 個(gè)鉆孔，鉆孔間距15 m，孔深45 m，直徑75 mm，與頂板呈75°，靠近非采幫。設(shè)計(jì)每孔裝藥18 m，裝藥量59.4 kg，封孔長(zhǎng)度15 m。如圖2。

圖2 93下11-2 運(yùn)順走向鉆孔三視圖（m）

2）強(qiáng)化斷頂方案

93下11-2 運(yùn)順距切眼50～150 m 區(qū)域（進(jìn)出93下09 采空區(qū)前后100 m 區(qū)域），面向切眼方向與巷道走向呈15°偏向非采幫施工7 組走向鉆孔，每組布置3 個(gè)鉆孔，呈扇形布置，組內(nèi)鉆孔間距0.5～1 m，組間距15 m，鉆孔距非采幫1～1.5 m，與頂板分別呈75°、65°、55°，孔深分別為40 m、30 m、24 m，直徑75 mm，裝藥長(zhǎng)度分別為13 m、10 m、8 m，裝藥量分別為42.9 kg、33 kg、26.4 kg，封孔長(zhǎng)度分別為15 m、10 m、8 m。如圖3。

圖3 93下11-2運(yùn)順煤柱區(qū)域扇形頂板爆破鉆孔三視圖（m）

2.2.5 切頂卸壓深孔爆破施工工藝

采用ZDY3500LP 型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)施工鉆孔，使用Ф75 mm 鉆頭配合Ф50 mm×1000 mm 鉆桿鉆進(jìn)，鉆孔施工時(shí)采用濕式打眼進(jìn)行水力排渣。

檢查瓦斯?jié)舛龋貉b藥前、放炮前檢查放炮地點(diǎn)前后20 m 范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛取．?dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1%時(shí)，嚴(yán)禁裝藥放炮。若鉆孔內(nèi)CH4濃度大于0.5%時(shí)，則該孔不再裝藥起爆并對(duì)鉆孔使用封孔劑或黃泥進(jìn)行全程封堵。

1）探孔：使用可延接的炮桿探孔，若因孔內(nèi)堵塞導(dǎo)致探孔深度達(dá)不到75%時(shí)，不再爆破；若驗(yàn)孔未至孔底但大于75%時(shí)，重新調(diào)整裝藥量后進(jìn)行爆破作業(yè)。

2）裝藥：

① 裝藥方式采用炮桿將藥柱緩慢送至孔底，每次將不大于6 節(jié)藥柱裝入爆破孔內(nèi)，孔深45 m 裝入14 節(jié)藥柱，40 m 裝入13 節(jié)藥柱，孔深30 m 裝入10 節(jié)藥柱，孔深24 m 裝入8 節(jié)藥柱。

② 每次在最后一節(jié)藥柱最外端300 mm 處，采用十字交叉法制成倒刺，防止在裝藥過(guò)程中藥柱下滑或從孔內(nèi)掉出。

③ 每次在最后一節(jié)藥柱上安裝2 個(gè)雷管，孔深45 m、40 m 雷管數(shù)量為6 發(fā)，孔深30 m 雷管數(shù)量為4 發(fā)，孔深24 m 雷管數(shù)量為4 發(fā)。接線(xiàn)采用孔內(nèi)并聯(lián)，孔間串聯(lián)，裝藥方式采用正向裝藥。將腳線(xiàn)引出藥柱使用專(zhuān)用花線(xiàn)連接延長(zhǎng)后順爆破孔孔壁引到孔口外面。

④ 裝完藥后，雷管連接線(xiàn)及時(shí)扭接成短路。

為了防止爆破過(guò)程中出現(xiàn)殘炮和拒爆現(xiàn)象，采用外徑為50 mm、長(zhǎng)度2000 mm 的凹槽爆破筒裝填炸藥，雷管腳線(xiàn)可以在凹槽的保護(hù)下不被拉斷，確保雷管的完好。爆破炸藥選用安全系數(shù)大于三級(jí)的煤礦許用含水炸藥，炸藥的直徑為32 mm，長(zhǎng)200 mm。采用直徑63 mm、每節(jié)長(zhǎng)600 mm 的黃土封泥袋進(jìn)行封孔。

3）封孔：封孔材料為GC-SFk 系列速凝封孔材料。

① 根據(jù)設(shè)計(jì)深度設(shè)置封孔器長(zhǎng)度；

② 檢查鉆孔無(wú)問(wèn)題后將封孔器送入鉆孔內(nèi)，連接注漿泵和注漿管；

③ 速凝封孔材料按水灰質(zhì)量比1:1 進(jìn)行配比，并且攪拌均勻，將漿液緩慢注入囊袋中，注漿過(guò)程中不停地?cái)嚢瑁?/p>

④ 觀察注漿壓力表，壓力達(dá)到1.5 MPa 后關(guān)閉注漿泵和止?jié){閥門(mén)；

⑤ 換注漿孔注漿或結(jié)束注漿，用清水清洗攪拌桶和注漿泵。

4）聯(lián)線(xiàn)：聯(lián)線(xiàn)方式為單個(gè)爆破孔內(nèi)并聯(lián)，孔與孔之間串聯(lián)。每次起爆1 組爆破孔，每組爆破孔的雷管腳線(xiàn)連接到一根爆破母線(xiàn)上。由爆破工本人聯(lián)母線(xiàn)，連接起爆器母線(xiàn)的一端起爆前后必須始終是短接的。

5）起爆：經(jīng)檢查無(wú)誤，采用FD200XS-B 型發(fā)爆器起爆。放炮員在距爆破孔不小于300 m 處進(jìn)行起爆，警戒地點(diǎn)、放炮員起爆地點(diǎn)的頂幫必須支護(hù)良好，無(wú)任何支護(hù)失效跡象，警戒距離不小于300 m。

6）施工工藝：敲幫問(wèn)頂→施工頂板爆破鉆孔→檢查瓦斯?jié)舛取z查鉆孔內(nèi)氣體情況、炮眼裝藥→檢查瓦斯→爆破→檢查瓦斯通風(fēng)30 min。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

根據(jù)爆破頂板切割技術(shù)方案，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)。93下11-2 運(yùn)輸順槽采用深孔爆破切頂卸壓后，在末采工作面距離停采線(xiàn)50 m 的位置采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道斷面進(jìn)行巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為60 d，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4。

圖4 圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖

從圖4 中可以看出，巷道兩幫及頂板變形呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)。在0～35 d 內(nèi)，巷道兩幫變形從0 增加到約66 mm，頂?shù)装遄冃螐? 增加到約79 mm。隨后，巷道圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定?？偟膩?lái)說(shuō)，采用爆破切頂卸壓技術(shù)后，巷道圍巖變形較小且可基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，巷道圍巖控制效果較好，滿(mǎn)足巷道正常使用的要求，有效保護(hù)了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）由于93下11-2 工作面采動(dòng)的影響，93下11-2運(yùn)輸順槽出現(xiàn)嚴(yán)重的變形破壞，提出了深孔爆破切頂卸壓技術(shù)。通過(guò)理論計(jì)算，確定了爆破切頂高度為45 m，切頂角度為15°，并對(duì)鉆孔布置進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施深孔爆破切頂卸壓技術(shù)后，巷道頂?shù)装遄冃渭s80.5 mm，兩幫移近量約71.8 mm，巷道圍巖變形得到有效控制，表明深孔爆破切頂卸壓技術(shù)的適用性。