超前动压影响下西曲矿18503 工作面巷道围岩控制技术研究

张志雄

（西山煤电集团有限责任公司西曲矿， 山西 古交 030200）

1 矿井概况

西曲矿隶属山西西山煤电股份有限公司，该矿井主采煤层分别为8 号、9 号煤层，18503 工作面所采煤层为8 号煤层，位于南五采区皮带巷东南侧，煤层厚度3.47～4.45 m，平均3.90 m，其倾角约2°～15°，平均4°，盖山厚度560～690 m，工作面切眼长度235 m。根据该采区相邻工作面回采矿压显现特征可知，18503 工作面回采产生的超前动压会对南六区下组煤采区大巷群带来强烈影响，继而诱发其大变形影响安全回采。

本文针对该问题提出工作面超前断顶减压技术及配套工艺，即在工作面末采收尾时选择合理的位置进行深孔爆破预裂、断顶减压工作，以实现保护该工作面前方的南一下组煤采区大巷，改善工作面回采时动压影响区域内巷道的应力环境，在此基础上对工作面末采期间的停采线位置进行合理确定，减少护巷煤柱宽度，使工作面多回采煤炭资源[1]。采用对于动压巷道一般采用锚杆+架棚+注浆复合支护、减压等加大支护强度等手段进行治理，以减小巷道大变形。

2 超前深孔断顶减压的基本原理及关键参数确定

2.1 超前深孔断顶减压的基本原理

超前深孔断顶减压的基本原理：在超前工作面一定范围内（停采线附近）提前布置工作面回撤通道，在工作面回撤通道内对煤层顶板进行深孔爆破切顶，切断工作面超前采动应力的传递路径，改善工作面回采时动压影响区域内巷道的应力环境，继而实现受动压影响巷道围岩的长时稳定。其原理具体如图1 所示。

图1 超前深孔断顶减压示意图

2.2 合理切顶参数的确定

2.2.1 切顶高度

超前18503 工作面回撤通道内切顶高度的确定关系到受保护巷道群应力优化小。基于18503 工作面实际工程地质条件建立数值模型，分别模拟了切顶高度15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m 时的受保护巷道群周边围岩应力改善情况。通过分析发现回撤通道内切顶高度30 m 时效果最好，巷道群周边应力最低，高应力集中在巷道群与回采通道中间的煤柱张红，有利于其围岩长时稳定控制，切顶30 m 时应力分布云图如下页图2 所示。

2.2.2 断顶减压孔间距的确定

针对在断顶减压孔内装入的炸药起爆后，一般会在炮孔周围产生粉碎圈和裂缝圈。当采用耦合装药方式时，沿圆形钻孔安装的柱状体炸药爆炸时，其产生的冲击波作用于钻孔孔壁的周边岩体，形成冲击载荷，然后透射冲击波不断由孔壁周边岩体向外传播并不断衰减，最终形成应力波。而岩石本身为脆性材料，其抗压强度远远大于其抗拉强度，受原岩应力场影响爆破时周边岩体可视为三向受力状态，炸药爆炸时在钻孔周边的粉碎圈是受压后形成，外层裂隙圈是岩石收到拉应力后形成。

3 号煤矿许用乳化炸药其密度一般为1 120 kg/m3，其爆炸时候的速度D一般为3 600 m/s，结合钻孔所在位置周边岩体力学参数，当在顶板砂岩石中采用3 号矿乳化炸爆破切顶时，把相关参数带入粉碎圈半径R1和裂隙圈半径R2计算公式可以得到R1=0.3 m、R2=1.2 m。

同时基于西曲矿18503 工作面具体工程地质条件建立了爆破分析模型，结合实际情况炮孔直径取0.085 m，柱状炸药直径取0.063 m，通过数值模拟分析发现，炸药起爆后100 μs 时双炮孔时主裂纹扩展终止后向上下主裂纹的扩展长度分别为1.15 m、0.95 m，平均长度1.05 m，因此左右间距2 m 时采用该爆破参数炮孔间裂缝可完全沟通，因此本次试验采用的断顶减压孔间距按整数取2 m[2]。

图2 切顶30 m 时应力分布云图

3 切顶减压深孔爆破工艺

3.1 钻孔

根据回撤通道内能摆放钻机且留有退钻杆空间的要求，采用坑道钻机施工，根据炮孔设计参数，采用Φ65 mm 长度为0.6 m 的钻杆配合三翼Φ85 mm金刚钻头进行打孔。在断顶减压孔施工过程中要求采用坡度仪以保证炮眼角度偏差±0.5°，最终所形成的断顶减压孔要求平且直、无岩渣。

3.2 装药

为了确保爆破过程中不出现残炮、拒爆等问题，考虑到断顶减压孔较深，要求使用带有凹槽的外径Φ63 mm 的爆破筒进行炸药填装，凹槽的作用主要是防止雷管脚线安装时候不被拉断，并使用专用的炮棍进行装药。爆破筒每节的长度为2 m，其内安装的3 号煤矿许用乳化炸药直径为35 mm。

为避免发生“残炮”，同时由于断顶减压孔较深，需采用“分段连体式”装药结构，即把5～10 个爆破筒连接一体形成一个分段[3]，这样既容易安装，又能保证每个分段相对独立，若个别分段出现拒爆而不会影响其他分段，“分段连体式”装药其结构示意图如图3 所示。

图3 分段炸药的安装结构

当3 号煤矿许用乳化炸药装入带有凹槽的爆破筒后，在爆破筒中间位置通过直径约10 mm 的空安装毫秒电雷管，同时在每根爆破筒头尾两端约3 mm 处通过打孔安装连接扣用于连接爆破筒。现场施工时，爆破筒中炸药可以提前装入，但雷管必须在爆破筒安装时候再进行安装，放炮母线使用胶带将其牢牢固定于爆破筒凹槽中，雷管塞入爆破筒中部后其引线可直接连接到凹槽中母线，各分段爆破筒中雷管采用串联[4]。爆破筒塞入炮孔前必须按规定使用Φ67 mm 炮棍井下探孔，以确保装药质量。如探孔过程中发现炮孔中由岩渣等，必须进行高压水二次冲孔。

3.3 封孔

爆破筒安装完成后，可采用自动封孔器或专用黄土封泥袋进行封孔。无论那种封孔方式一定要确保封实，同时封孔过程中确保母线的短路。

3.4 起爆

起爆时每个炮孔中安装在爆破管中的雷管确保串联，多孔起爆时孔间也要采用串联，从而所有雷管同时一次起爆，一次可以同时起爆的2～3 个炮孔，本次试验现场采用的起爆器型号为MFB200 型。

4 应用效果

通过在18503 工作面回合理回撤通道附近采用定向爆破断顶减压技术后，实现了南六区下组煤采区大巷群围岩与支护结构的长时稳定。与该采区同煤层未采取定向爆破断顶减压技术的相邻工作面18601 工作面回采结束后，对采区大巷巷道尺寸进行测量对比后发现，采用该技术现场实施效果良好，18503 工作面回采完成后，该巷道群未产生底鼓、帮鼓、喷浆掉皮、变形量过大等现象。同时通过该技术使用把18503 工作面停采线向南六区下组煤采区方向挪移了20 m，按工作面切眼长度为225 m、煤层厚度4 m 计算，多回采煤炭225×4×20×1.5=2.7 万t，经济效益十分显著。