金辛达煤业11103工作面切顶卸压技术研究与应用

刘林升

(晋能集团 金辛达煤业有限公司，山西 临汾 041000)

1 工程概况

金辛达矿11103工作面目前正在向前回采，北部为11105工作面(已完成掘进)，南部为11102工作面采空区，东部是井田边界(和晋牛煤业相毗邻)，西部是北辅运大巷。 工作面开采9+11号煤层，煤层均厚6.16 m，其上方直接顶为K2石灰岩，平均厚度10.24 m，岩层致密坚硬。11103工作面与11105工作面的煤柱宽度为30 m，在11103工作面回采期间，11103工作面胶运、辅运巷及11105辅运巷在采动影响下，巷道围岩出现较大程度的变形，特别是帮鼓、底鼓现象非常明显，11103工作面胶运巷和辅运巷底板最大鼓起量达到900 mm，两帮最大移近量达到1 200 mm，11105工作面辅运巷围岩最大变形量达到400 mm。

通过分析11103工作面的地质条件及赋存特征，得出“围岩应力集中”是11103工作面胶运、辅运巷及11105辅运巷围岩变形的主要影响因素之一，为改善围岩的应力环境，这时需要采取“卸压”措施，从而达到阻止围岩发生大幅变形的目的。故决定在11103工作面胶运、辅运巷进行切顶卸压。

2 深孔爆破切顶卸压原理

2.1 切顶卸压原理

随着工作面的回采推进，工作面上方的顶板岩层会逐渐发生破断，进而导致巷道应力的重新分布，在采用区段煤柱护巷的回采工作面，顶板岩层的断裂会导致煤柱出现不同程度的应力集中，但应力集中程度及位置会随着断裂线位置的变形而变化，当工作面顶板上覆岩层的断裂发生在煤柱上方或邻近巷道上方时，此时煤柱便为岩梁一端的承载基础，进而致使煤柱承载较大的载荷，煤柱内部塑性区的发育范围较大，煤柱便会表现出变形量大的特征，且易致使邻近巷道出现较大的破坏变形[1-2]；若断裂线位于距离煤柱较远的采空区上方，此时煤柱上方顶板形成悬臂梁结构，悬臂梁受力完全作用在煤柱上，煤柱内部出现应力集中现象，煤柱发育的塑性区范围同样较大，不利于邻近巷道的稳定，如图1(a)所示；若断裂线出现在靠近煤柱的位置，则本工作面回采过后上覆岩层传递给煤柱和邻近巷道的压力较小，有利于煤柱和邻近巷道的稳定，如图1(b)所示。

图1 顶板断裂位置示意

因此，为了减小应力集中程度，可在工作面正常向前回采时，采用爆破的方式在巷道上方垂直走向将顶板切断，降低巷道内的应力集中，减小塑性破坏区范围，降低邻近巷道的变形程度，如图2所示。

图2 工作面侧向切顶剖面及平面(m)

2.2 聚能定向深孔爆破预裂

传统的普通爆破不能胜任工作面侧向切顶工作，因为传统爆破裂隙像四周扩展，且扩展程度未知，很可能将巷道上方顶板随机炸断，造成回采巷道支护失效，极易造成伤人事故。

聚能定向爆破是在炸药被筒上留设有“V”字形聚能槽，当炸药起爆后，产生的高温高压的爆轰产物会优先沿着聚能槽的方向释放，即大部分能量朝着给定方向，可按照设定方向对岩石拉裂成缝。聚能爆破所需的炸药被筒如图3所示。

图3 聚能爆破模拟效果及炸药被筒示意

根据聚能爆破的上述特征，可采用该方法对顶板沿巷道走向切断，为了控制裂隙扩展的范围，需根据岩石抗拉强度、弹性模量等参数，确定聚能槽的开口大小、V字形开口角度、装药不耦合系数，这些参数直接影响爆破效果[4-5]。

3 煤柱侧向切顶卸压方案

3.1 方案设计

卸压采用深孔预裂爆破的方法进行。由于深孔爆破的封泥长度较长，爆破后孔口纹丝不动，不会对巷道造成任何损坏。为了实现对煤柱的卸压，设计切断煤层上方13 m范围内的顶板。故确定11103胶运巷顶板炮孔孔深为14 m，孔径为60 mm，钻孔垂直顶板钻进，炮孔间距2 m；11103辅运巷、11105辅运巷顶板炮孔孔深定为15 m，孔径为60 mm，垂直巷道走向仰角75°钻进，炮孔间距2 m，具体炮孔布置示意如图4所示。

在钻孔时尽量将孔内煤渣排除，要求钻杆钻到规定深度时钻机空转5 min；打孔时工人应根据钻机的钻进速度及返水情况记录好各炮孔不同深度处岩石的软硬情况。

图4 煤柱侧向切顶深孔爆破钻孔示意(m)

本次使用凹槽爆破筒外径50 mm。炸药采用煤矿许用三级乳化炸药，药卷尺寸长200 mm，直径35 mm。深孔爆破由于炮孔较深，为了便于装药，需采用阻燃防静电凹槽爆破筒[5-6]，每节爆破筒2 m长，装入炸药量约3 kg，每米装药量约1.5 kg。封孔采用封泥袋，设置封孔长度为1.2 m。

3.2 效果分析

切顶卸压技术实施后，在11103工作面胶运巷和辅运巷超前工作面60 m的位置处布置巷道表面位移监测站，表面位移采用十字布点法进行观测，持续观测至工作面回采推进测站位置处，根据观测结果得出回采期间巷道表面位移曲线，见图5。

图5 煤柱侧向切顶卸压后巷道表面位移曲线

由图5可知，巷道在超前工作面60 m的范围内，胶运巷和辅运巷在距工作面35～60 m的范围内，顶底板及两帮变形量均较小，当测站与回采工作面距离小于35 m后，此时随着工作面回采作业的进行，胶运巷和辅运巷顶底板及两帮变形速率开始逐渐增大。其中胶运巷在距离工作面14 m的位置处变形速率最大，当测站距离工作面1 m时，此时顶底

板移近量达到500 mm，两帮移近量达到505 mm；辅运巷在距离工作面12 m的位置处，围岩变形速率达到最大值，在测站距离工作面1 m时，此时顶底板及两帮变形量分别为360 mm和460 mm。另外根据切顶卸压后11105辅运巷围岩变形的观测结果可知，煤柱侧切顶卸压后，11105工作面辅运巷受到邻近回采工作面采动影响较小，11103工作面回采期间，11105工作面辅运巷围岩最大变形量为70 mm。

根据上述分析可知，11103工作面胶运巷、辅运巷及11105辅运巷在采用切顶卸压技术后，围岩变形量均得到了有效控制，解决了巷道围岩变形量大的问题，巷道的围岩变形满足回采巷道的使用要求。

4 结 语

根据采动影响下11103辅运巷、胶运巷和11105工作面辅运巷的变形情况，结合巷道赋存情况确定巷道变形量大的主要原因为围岩应力集中，通过采用切顶卸压措施，3条巷道围岩变形量大的问题得到了解决，保障了巷道围岩的稳定。