切顶卸压沿空留巷之复合型顶板的定向聚能切缝技术

汤朝均，宋润权，宋立兵，胡建平，郭鹏飞

(1.川煤芙蓉集团 白皎煤矿责任公司，四川 珙县 644501；2.神东煤炭集团 哈拉沟煤矿，陕西 大柳塔 719315；3.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083)



切顶卸压沿空留巷之复合型顶板的定向聚能切缝技术

汤朝均1，宋润权1，宋立兵2，胡建平2，郭鹏飞3

(1.川煤芙蓉集团 白皎煤矿责任公司，四川 珙县 644501；2.神东煤炭集团 哈拉沟煤矿，陕西 大柳塔 719315；3.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083)

针对12201工作面切顶卸压沿空留巷项目中复合型顶板岩层间隔分明、岩性差异大的特点，提出了聚能管间隔空气柱装药的方式进行定向聚能切缝爆破，并首次在此类项目中采用孔内摄像仪对切顶孔爆破前后孔内岩性和裂隙进行记录、对比的方法验证切缝效果，解决了因复合型顶板导致的定向聚能切缝效果差的难题，确保了切顶卸压沿空留巷项目的成功应用。

沿空留巷；复合型顶板；聚能管；切缝；孔内摄像仪

Studying and Practical of Orientation Explosive Incision Key Technique of Complex Roof in Gob-side Entry Retaining under Roof Cutting Unloading

哈拉沟煤矿12煤层采用盘区式开采，12煤层巷道顶板是部分具有软岩性质的复合型顶板，巷道掘进期间淋水大、支护强度高等因素导致安全风险大、支护成本高，回采期间超前压力导致的直接顶“网兜”、巷帮片帮等现象也对工作面正常回采带来了一定安全威胁。因此，哈拉沟煤矿在经多次矿井远景规划性研究后，决定在12煤层12201工作面与中国矿业大学(北京)、川煤芙蓉集团合作开展“切顶卸压沿空留巷”项目，以期通过该项目打破传统“一面两巷”(一切眼，一进风巷，一回风巷)、工作面间隔留设煤柱的开采方法。

1　工程概况

1.1工作面概况

12201综采面为哈拉沟煤矿首个沿空留巷工作面，切眼长320m，12201回风巷长747m，12201运输巷将进行切顶卸压沿空留巷，作为相邻12202综采工作面回风巷。12201综采面推进172m后(即推进至相邻12202综采面切眼后15m位置)开始留巷，留巷至12201主回撤通道，留巷总长度为580m。巷道平面布置如图1所示。

图1　12201工作面巷道布置

1.2工作面顶、底板岩性

12煤厚1.6～2.4m，工作面平均采高2m，其上覆基岩厚55～70m，松散层厚0～33.48m，埋深60～100m，靠回撤通道区域地表有基岩出露。12煤层顶板属于复合型顶板，直接顶为粉砂岩，厚0.8～1.3m，均厚1.1m；直接顶上部为12上煤层，厚0～2.9m，均厚2.8m；12上煤层上部为厚0.55～2.14m、均厚1.3m的泥岩，基本顶由均厚为3.34m的细粒砂岩和均厚为4.05m的粉砂岩组成；直接底为粉砂岩，均厚3.67m。

2　定向聚能切缝技术

2.1切顶卸压沿空留巷

切顶卸压沿空留巷的技术定义[1-2]是：工作面回采前，在需留巷巷道顶板岩层内采用爆破的方式进行预裂切缝，即切断留巷和工作面煤层顶板在一定深度范围内的联系；工作面回采后，在顶板周期来压的作用下，沿空切顶，采空区顶板自然垮落形成采空区采场初步稳定的“大结构”、并充填形成巷帮，进而保留留巷为临近下工作面使用。

从以上切顶卸压沿空留巷的技术定义可以看出，切顶卸压是此项目能否成功运用的关键技术，而切顶则是切顶卸压的核心，卸压只是顶板岩层切断后随之伴生的附加效果和需要达到的目的。

2.2定向聚能切缝技术

切顶是在原完整的岩层中通过爆破技术定向切出一条具有一定高度、连续而均匀的裂缝，此裂缝可以在设定方向上切断留巷与采空区顶板之间一定深度范围内的力的传递或联系；同时在非设定方向上尽量减小爆轰作用(指爆炸冲击波、气体净应力场等)对留巷顶板岩层的损伤，增大留巷后巷道在使用过程中的顶板安全可靠性。因此，从爆破定向聚能切缝的角度看，切顶又可称之为“定向聚能切缝”。

根据以上顶板岩层定向聚能切缝的释义，采用了“切顶孔+聚能管+炸药”的组合模式进行定向聚能切缝。

切顶孔是由钻孔钻机在切缝线每隔一定距离施工而成，它主要是在爆破过程中放置聚能管、控制切顶深度等作用。

聚能管是采用塑料管加工而成，其结构如图2所示，该管具有两方面特征：在管壁两侧对应间隔固定距离均匀设计了聚能孔，爆破产生的强烈冲击波首先从聚能管聚能孔中冲出，并对应作用于切顶孔孔壁上，因通常情况下一定范围内岩石的动抗压强度远小于炸药爆破的冲击能量[3-5]，故顶板岩层将形成初始裂隙；爆破能量在管壁的束缚下沿孔径方向将产生强烈的压缩应力波，同时聚能管孔方向(即为巷道设计切缝方向)将产生相应的拉伸应力波[6-8]，此拉伸应力波使岩层整体沿已有弱面(即爆破冲击波沿聚能管聚能孔冲出致使岩层产生的初始裂隙)被进一步拉伸或破断，这样一方面可使爆破产生的裂缝更加均匀、细致，而不是普通爆破式的杂乱无章，另一方面，爆破能量作用在聚能管管壁上，管壁起到了一定缓冲和保护作用，减少了冲击波和爆生气体对非设计方向顶板岩层的直接作用和破坏，有利于巷道留巷后的复用。

图2　双向聚能管结构示意

3　12201工作面定向聚能切缝技术方案

3.1切顶孔位置和间距

为使聚能管的聚能孔方向与切缝线保持一致，且根据在未留巷段采用“切顶孔+聚能管+炸药”组合对巷道顶板进行聚能切缝爆破的实验结果和现场施工方便的考虑，如图1、图3所示，确定“切缝线距离巷道边缘为0.2m，切顶孔中心沿切缝线设计，切顶孔间距0.6m”的方案可以使爆破产生的切缝效果达到最优和经济效益最大(经济效益主要指减小了切顶孔间距，即减少了施工切顶孔工程量和爆破工程量等)。

3.2切顶孔孔径

根据炸药(炸药药卷直径为32mm)、聚能管(聚能管内径为36.5mm、外径为42mm)和切顶孔“三径”相匹配的原则，确定切顶孔直径为46mm。

3.3切顶孔长度和角度

根据切顶卸压沿空留巷的技术定义和采空区顶板垮落的特点，要减小采空区基本顶周期来压对留巷巷道顶板造成的破坏，在基本顶来压前需利用采空区顶板垮落矸石的碎胀性形成基本支撑基本顶的次生平衡的“大结构”[9-10]， 切顶孔的计算深度(即采空区顶板需垮落高度)h：

式中，m为煤层厚度，根据工作面平均采高，取2m；k为岩石碎胀系数，根据哈拉沟以往经验，取1.4；a为煤层倾角，哈拉沟12煤层为近水平煤层，倾角取0°。

通过以上计算，切顶孔的计算深度h为5.25m。

为加速采空区顶板的垮落和保护留巷巷道顶板，根据现场实际经验，在确保采空区垮落矸石能形成新的平衡“大结构”的前提下，可将切顶孔向采空区侧偏移10°，此时切顶孔理论设计长度h1=h/cos10°=5.33m。

综上所述，为在切缝过程中保持一定富余系数，确定切顶孔向采空区侧偏移10°，切顶孔实际设计长度h2=6m，如图3所示。

图3　巷道断面示意

3.4切顶孔装药结构

12201运输巷顶板为复合型顶板(顶板从粉砂岩→煤层→泥岩→细砂岩、粉砂岩等)，且根据现场探钻的情况看，各层岩石之间间隔分明、岩性差异大，在岩层切缝过程中必须尽量避免由于岩层岩性的差异性导致设计深度范围内岩层切缝不充分的现象，即此复合型顶板中仅在某一层或两层岩层中采用“切顶孔+聚能管+炸药”的组合方式进行定向聚能爆破时，爆破能量可能由于岩层抗动压强度等不同导致爆破冲击波、压或拉伸应力波作用在岩层中的不同步性进而导致产生切缝效果的不一致性，或爆破能量在不同岩层交界区(如粉砂岩与煤层交界处、泥岩与细砂岩交界处等)可能由于岩性差异而极速扩散，导致达不到切缝的目的。

因此，本次定向聚能切缝爆破装药结构设计以爆破过程中尽量减小对留巷巷道顶板岩层破坏为原则，同时兼顾解决复合型顶板各岩层间隔分明、岩性差异大的难题，采用了聚能管间隔空气柱的装药方式(图4)，即采用了3根1.5m、1根1m聚能管，在孔底细砂岩、粉砂岩段装了“3条炸药(煤矿2级乳化炸药，下同)+1个雷管”，在中部泥岩和煤层段装了“2条炸药+1个雷管”，在孔口煤层和粉砂岩段装了“2条炸药+1个雷管”，即单孔内并联启爆，这就解决了不同岩性岩(煤)破断强度需求的不同，且解决了炸药在孔内发生殉爆的问题。

图4　切顶孔装药结构示意

4　切缝效果检验

(1)本次切顶卸压沿空留巷项目中孔内切缝效果采用了孔内摄像仪进行效果验证，即在切缝炮孔未爆破前，采用孔内摄像仪对孔内岩性及裂隙等情况进行记录，待切缝炮孔爆破后，再采用孔内摄像仪对孔内岩性及裂隙等情况进行记录，然后对切顶孔爆破前后进行对比，从而验证切缝效果。12201运输巷复合型顶板在采用了聚能管间隔空气柱装药的方式进行切缝爆破后，孔内裂隙率全部达到了90%以上，此结果对确保今后工作面顶板切顶卸压达到设计目的起到了决定性作用。图5为其中某一切顶孔爆破前后的裂隙对比图。

图5　某切顶孔定向聚能切缝爆破前后裂隙对比

(2)从现场实际情况看，进行定向聚能切缝爆破后，工作面顶板逐步进入采空区，从顶板垮落步距看，采空区部分直接顶“随采随垮”， 设计切顶深度范围内悬顶部分在滞后工作面5～8m区域基本全部垮落，未出现普通未切缝留巷工作面滞后采空区较长范围的采空区顶板未垮落“三角区”。

(3)从现场实际情况看，12201运输巷未留巷段(即12201运输巷前172m)顶板在进入采空区范围后，随着工作面的推进，出现了巷道顶板被拉裂、顶板台阶式不规则垮落等现象；而12201运输巷留巷段顶板在定向聚能切缝后，巷道顶板在留巷过程中完整保留，未出现未留巷段顶板类似的被破坏情况。

5　结　论

(1)因以往顶板定向聚能切缝爆破效果无法验证，故以往此类切顶卸压沿空留巷的聚能切缝爆破都是在超前工作面一定范围内进行的，即边爆破边验证，用采空区顶板实际垮落效果验证切缝爆破设计正确与否；而12201工作面首次采用了工作面全长提前聚能切缝爆破，孔内摄像仪自动记录切顶孔爆破前后裂隙状况，形成鲜明对比，其对爆破参数的设计、修正和验证都发挥了重要作用。

(2)本次切顶卸压沿空留巷项目在复合型顶板的采煤工作面应用是一种全新的尝试，对岩性差异较大各个岩层的切缝技术都提出了更新、更精准的要求。此项目的成功为今后切顶卸压沿空留巷项目在煤矿开采过程中的全面推广起到了积极推动和示范作用。

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[责任编辑：王兴库]

2015-11-26

汤朝均(1986-)，男，四川筠连人，助理工程师，主要负责科研项目现场实施、总结和井巷设计。

TD323

B

1006-6225(2016)05-0056-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.016

[引用格式]汤朝均，宋润权，宋立兵，等.切顶卸压沿空留巷之复合型顶板的定向聚能切缝技术[J].煤矿开采，2016，21(5)：56-58，39.