同忻矿特厚煤层临空顺槽切顶卸压技术研究

王星星 王亚军

（晋能控股煤业集团同忻煤矿，山西 大同 037000）

1 概况

1.1 矿井开采条件

同忻矿目前主要开采侏罗纪3-5#层，平均采高15 m，采用大采高综放开采，开采强度大，矿压显现剧烈。采用小煤柱沿空掘巷后，巷道布置问题虽得到解决，提高了采区采出率，但小煤柱巷道回采期间仍然伴随强矿压显现，巷道超前影响范围大，矿压剧烈，不易维护[1-5]。

随着同忻矿工作面埋深与采高、推进速度和开采强度的不断增大，在矿井安全生产方面出现了一系列新的问题：（1）在现代化大规模高强度开采条件下，开采扰动过程强烈，引起大范围工程系统中能量的突然释放、转移、传递，动载冲击特征明显；（2）矿井采掘期间强矿压现象频繁发生；（3）工作面超前巷道变形、采场片帮与工作面端头冒顶严重。这些问题都给工作面的回采带来了安全风险。在工作面超前支承压力以及上工作面侧向支承压力的叠加应力影响下，回采巷道片帮、底鼓严重，巷道返修成本高，严重制约了工作面的安全高效回采。因此，高强度开采条件下小煤柱巷道的强矿压治理成为目前同忻矿亟待解决的技术难题。

1.2 工作面概况

8210 工作面5210 巷位于一水平二盘区西部，开采3-5#煤层，煤层厚度5.59～15.88 m，平均煤厚12.54 m，煤层倾角0～3°，平均1.5°。5210 巷全长867 m，巷道采用矩形断面，宽5.2 m×高4.2 m。巷道对应地面标高+1 384.9～ +1 340.9 m，煤层底板标高+838～ +848 m，平均埋深519.9 m。8210 工作面5210 巷布置示意图如图1。

图1 8210 工作面5210 巷布置示意图

5210 巷为沿空掘巷，位于8305 工作面（已回采）东南部，与8305 工作面煤柱宽5 m。5210 巷东北部为三条盘区大巷，东南部为8210 工作面，西南部为未采动实体煤，上覆为同家梁矿及白洞矿侏罗系14号煤层8306 工作面采空区，与该层间距184～214 m。对应地表位于银塘沟新村的东北部，杏树湾沟北部，龙王庙西部，主要沟谷为杏树湾沟北部。

2 切顶卸压方案

2.1 小煤柱巷道切顶卸压技术原理

对于存在坚硬顶板的工作面，若上一工作面回采前未对顶板采取切顶措施，则回采后采空区易形成长悬臂梁结构，且本工作面回采期间隅角顶板不易垮落，造成小煤柱巷道变形严重。基于以切断基本顶为目标的小煤柱巷道切顶卸压技术原理，在本工作面回采前采用切顶技术在巷道和煤柱上方基本顶之间形成弱面，减小采空区侧悬顶，减小工作面后方顶板悬顶面积，加快工作面后方顶板垮落，从而减小小煤柱巷道的压力和变形，保证工作面快速推进。如图2。

图2 切顶卸压技术原理示意图

（1）炸药爆炸产生的爆轰波通过聚能管的聚能槽，将炸药的动能和势能转换成高压、高速、高能的射流，切割岩石成缝，形成1～2 cm 的深缝。

（2）射流在孔壁产生射流压力达7000 MPa，相邻两炮孔互为临空面，叠加后的压缩波变为稀疏波，在两炮孔连线上使岩石结构断裂，形成裂纹。

（3）准静态气体膨胀，静态压力在两炮孔最短连线两侧产生拉力使岩石裂缝进一步扩展。

（4）根据爆破应力集中气刃作用原则，爆破气体沿裂缝进一步扩大贯通，切开岩石。

聚能管采用抗阻燃、抗静电材料制作，直径48～63 mm，长度一般为2 m/根，可根据现场实际使用情况进行调整。聚能管由管体、扣盖组成，由连接件、导向头等组件配合使用。为防止装入孔内的聚能管下滑，需要配合防滑倒刺使用。如图3。

图3 聚能管各组件实物图

2.2 5210 巷切顶卸压方案

5210 巷爆破钻孔开孔位于煤柱帮侧，由于管路、线路等影响，开孔位置距帮0.8～1.5 m，要求开孔位置呈直线布置，如果因管路、线路等凸起，开孔位置应平缓过渡。具体各卸压钻孔参数及布置情况见图4 和表1。

表1 窥视钻孔参数表

图4 窥视钻孔布置示意图（m）

2.3 巷道补强支护方案

为有效切断顶板，减小巷道压力，目标切顶高度范围内的岩层均应被有效切顶。因此装药段长度长。但爆破区域距离组合锚索较近，巷道中部的组合锚索受爆破影响可能出现锚固力降低的情况，如图5。

图5 爆破对组合锚索的影响（m）

为保证锚索支护质量，防止爆破后顶板沿切缝出现台阶错动，设计在爆破后对顶板进行补强支护。采用锚索钢梁补强支护，锚索规格Φ21.8 mm×8300 mm 钢 绞 线，间 排 距1900 mm×2700 mm，每排三根，垂直顶板布置，距工字钢两侧边缘250 mm；工字钢梁规格：11#工字钢，长度4.5 m；托盘选用150 mm×150 mm×12 mm 钢托盘；每根锚索使用1 卷MSK2360、2 卷MSZ2360 树脂药卷锚固，预应力不小于290 kN，锚固力不小于370 kN。

3 切顶卸压效果

在实施爆破切顶眼相邻的未爆破的钻孔进行窥视，发现相邻钻孔里面出现了明显的裂隙和破碎区域，具体钻孔窥视情况如图6。

图6 爆破切顶前后钻孔裂隙发育情况

从未爆破切顶前钻孔的窥视情况和实施爆破后相邻钻孔的窥视情况可以明显看出，上覆目标层位的坚硬岩层已经出现明显的裂隙和破碎区域，起到了卸压的效果。

观测巷道围岩变形在未采取切顶卸压方案之前的变形和采取切顶卸压方案之后的变形，得到巷道顶底板变形量由之前的0.8～1.5 m 范围缩短到目前的0.3～0.8 m 之间，顶板变形量明显下降；巷道两帮的变形由之前的1～2.2 m 缩短到目前的0.5～1 m，巷道两帮变形量明显下降。

4 结语

（1）为减弱临空小煤柱巷道产生的矿压影响，设计采用切顶卸压技术和聚能爆破切顶技术。

（2）根据8210 工作面5210 巷地质条件，制定了聚能爆破切顶卸压的技术方案。通过对钻孔切顶前后的窥视，指定目标层出现明显的裂隙和破碎，起到卸压的效果。