潞宁煤业22116工作面切顶卸压护巷技术应用

王 亮

（潞安化工集团潞宁煤业有限责任公司，山西 宁武 036700）

1 工程概况

采区大巷主要负责采区的通风、运输、行人等，其稳定性与否对矿井的安全生产具有十分重要的现实意义。潞宁煤业22116 工作面附近采区大巷因受到采动影响而围岩变形量大大增加，急需采取一定的措施来减少采动应力传递，降低围岩变形量，提高大巷的服务年限。

潞宁煤业22116 工作面位于22114 和22118工作面中间，为孤岛工作面，工作面位置关系图见图1。该工作面开采2#煤层，其厚度约3.5 m，倾角4.5°，属近水平中厚煤层；煤层结构简单，局部有夹矸，预计可采储量约1.736 72 Mt。工作面走向长度为1 877 m，倾向长度为178 m；2#煤层直接顶为8.5 m 的粉砂岩，老顶为13.3 m 的中粒砂岩。22116 工作面煤岩柱状图见图2。

图1 工作面位置关系

图2 22116 工作面煤岩柱状图

2 切顶卸压护巷方案

切顶卸压方法可大致分为炸药爆破、水压致裂、静态破碎和二氧化碳致裂四种。结合现场情况及矿井资料，本次切顶卸压采用炸药爆破法。其基本原理是通过将炸药装入在预定钻孔内，引爆炸药产生的强冲击波，从而对顶板岩层产生震动裂隙，裂隙贯通后形成断裂面，达到阻止工作面超前支承压力传播［1-2］目的。

本次切顶在停采线附近布置炮孔形成切顶线，但由于回撤通道还未形成，为了不影响生产，拟在距离停采线最近的材料斜巷内采用超前深孔预裂爆破法进行钻孔爆破。因钻孔爆破效果易受炮孔长度、角度、间距、孔径、装药结构、装药量、封孔长度等因素影响，爆破参数的选择就尤为重要。近年来，国内外学者主要采用如下方法来确定爆破参数。

2.1 炮孔角度

炮孔角度主要分为方位角和仰角，因爆破裂隙的辐射长度和三带范围主要受仰角影响，因此炮孔参数设计中主要考虑仰角因素，其计算见公式（1）［3-4］：

式中：l为炮孔水平投影长度，m；θ为煤层倾角，°；β为炮孔端头距顶板长度，m；H为放顶高度，m。

2.2 炮孔直径

根据理论推算，炮孔孔径越大、装药量越多，其爆破影响范围就越大。但受地质因素、施工条件、经济效益等因素影响，孔径并非越大越好，孔径的大小直接影响着炮孔装药量、施工强度、炮孔数量。因此，根据潞宁煤业设备条件及施工环境选择炮孔直径为75 mm。

2.3 炮孔长度

炮孔长度的确定取决于上覆岩层关键层的高度，也就是老顶的厚度［5-6］。22116 工作面直接顶8.5 m，老顶13.3 m，所以需要切顶高度为21.8 m，通过以下公式可以计算得出炮孔长度即为31 m。

式中：L为炮孔长度；ɑ 为炮孔角度；l为切顶高度。

2.4 炮孔间距

爆破切顶的原理是通过爆破裂隙贯通而形成断裂面，来切断应力的传播。当炮孔间距较大时，两个炮孔之间的爆破裂隙不能相互贯通，爆破切顶的效果往往不理想；而当炮孔间距较小时，尽管爆破效果较好，但消耗的炸药量较多。鉴于此，本文采用裂隙圈计算公式来确定两个炮孔之间的间距［7］：

式中：RP为松动圈半径；α 为应力衰减值；v为泊松比；P为初始应力峰值；rb为炮孔半径；St为抗拉强度。

根据上述理论公式计算，松动圈半径为3.1 m，为了保证爆破效果，结合地质条件适当调整、确定炮孔间距为6 m。

2.5 装药结构及装药量

装药量是影响爆破效果的另一个关键因素，装药量的大小与顶板的岩性、孔径、孔间距有关，通常如下的经验公式进行计算：

式中：q为单位耗药量kg/m3；l为钻孔深度；w为最小抵抗线；a为炮孔间距。

结合22116 工作面地质条件，并根据上述公式计算，最终确定爆破切顶卸压炮孔关键参数为：炮孔角度45°，孔径75 mm，炮孔长度31 m，炮孔间距6 m，放顶高度21.8 m，装药长度20 m，封孔长度11 m，施工钻孔11 个，钻孔总长度341 m。为保证爆破效果，选用10 个长2 m、直径60 mm 的炸药筒分两组装药，共需约34 kg炸药，首先在巷道内将炸药筒装满，然后分两组填入炮孔内，每个炸药筒之间用胶带固定，最后在全部填入后将母线引出孔口隔孔相连。炮孔位置见图3，炮孔剖面见图4，装药结构见图5。

图3 炮孔位置

图4 炮孔剖面

图5 装药结构

本方案拟在材料斜巷内进行钻孔爆破，材料斜巷上端距停采线25 m，距轨道上山45 m，下端距停采线55 m，距轨道上山35 m。

2.6 爆破流程

（1）首先由瓦斯检查员进行装药前的瓦斯检查，确定瓦斯浓度不超限，否则不予装药。

（2）由机电专员将爆破施工周围电气设备进行停电闭锁，否则不予装药。

（3）装药前，需检查炮孔完整度，是否发生塌孔等影响装药情况，敲落周围易垮落矸石，防止伤人，装药分为两组同时装药。

（4）装药后，使用黄土炮泥封孔，封孔长度不得小于11 m，炮泥必须由炮棍进行压密，在封孔中注意保护雷管线不受损坏。

（5）爆破前再次检查瓦斯浓度，沿倾向顺序起爆，每次起爆不超过4 个炮孔，分组爆破。

（6）爆破后检查瓦斯浓度，严格执行一炮三检制度。

3 矿压监测方案

为进一步了解爆破切顶的效果，在材料斜巷内采用“十字布点法”进行巷道表面位移监测，测点间距为6 m。测点安装前，先清理浮矸，顶底板连线必须保证垂直，测量时应使用皮尺拉紧测量。在工作面距离测点75 m 外时，每5 天测量一次，在工作面距离测点75 m 以内时，每天测量一次，在工作面距离测点30 m 以内时，每班测量一次。测点布置见图6。

图6 测点布置

通过对监测数据进行整理分析，选取具有代表性的1、2 号测点数据绘制测点位移变形曲线见图7-1、7-2。由曲线图可知，在7月19日时，曲线斜率增大，说明由于工作面的推进，在超前支承压力的影响下，该区进入了应力增高区，导致巷道围岩变形量开始显著增加，且随着工作面与斜巷的距离减小，其围岩变形量还会持续增加。8月17日工作面停采，此时两帮变形量最大为260 mm，顶底板变形量最大为215 mm，在此之后曲线斜率趋于平缓。但因受采动影响的上覆岩层还未达到应力平衡状态，导致两帮及顶底板变形增加，其两帮最大变形量为300 mm，顶底板最大变形量为250 mm，较之停采时变形量升高了约15%。由曲线图可以看出，爆破切顶后巷道围岩变形曲线斜率显著下降，两帮变形量最大为304 mm，顶底板变形量最大为253 mm，较之切顶时变化幅度低于2%，这表明由于顶板连续性被破坏，降低了超前支承压力的传递，减少了上覆岩层对巷道围岩的影响。

图7 -1 1 号测点围岩变形量曲线

图7 -2 2 号测点围岩变形量曲线

4 结论

1）根据22116 工作面地质条件，确定在距停采线最近的材料斜巷内进行爆破切顶卸压施工，并且根据经验公式确定了炮孔仰角为45°、孔径75 mm、炮孔长度31 m，炮孔间距为6 m，放顶高度为21.8 m，装药长度20 m，封孔长度11 m 等关键参数。

2）通过围岩变形量曲线图分析可知，距工作面距离越近，围岩变形量越大，截至停采时，两帮变形量最大为260 mm，顶底板变形量最大为215 mm。在切顶前，曲线斜率有所缓和，但仍为持续升高状态，代表此时该区域仍处于超前支承压力峰值影响范围内，在切顶后，曲线斜率趋于平稳，两帮变形量最大为304 mm，顶底板变形量最大为253 mm，较之切顶时变化幅度低于2%，证明爆破切顶方案有效的减小了超前支承压力的传递，降低了上覆岩层对巷道围岩的影响，保护了巷道围岩的安全。