王坡煤矿3314工作面切顶卸压技术研究与应用

刘伟伟

(山西天地王坡煤业有限公司，山西 泽州 048021)

山西天地王坡煤业有限公司(以下简称“王坡煤矿”)位于山西省晋城市泽州县下村镇，主采3号煤层，平均煤层厚度5.5 m.王坡煤矿目前正在回采三采区3314工作面，该工作面为半孤岛工作面，西侧为3316工作面采空区，东侧为规划的3312 工作面，北部为3条集中大巷，3312运输巷和3314回风巷位于3314工作面同侧，巷间煤柱为40 m(中-中)。对于多巷布置的工作面，3312运输巷需要经受3314工作面采动影响后留巷为3312工作面回采服务。结合以往的工程经验及现场勘查，经受强烈动压影响的3312运输巷煤层巷道容易出现两帮强烈挤压、顶板破碎和底鼓的全断面变形，留巷巷道顶板下沉严重，两帮移近及底鼓现象明显、锚杆锚索经常发生破断等情况。为避免3312运输巷出现过度的变形破坏，开展深孔预裂爆破主动卸压技术研究。

1 深孔预裂爆破切顶方案设计

对于王坡煤矿3312运输巷复用巷道问题，分析巷道变形破坏的主要原因为：①开采煤层埋深较大，地应力高，煤层强度低；②3314工作面回采时动压大，回采后的侧向支撑压力使巷道围岩产生破碎且处于流变状态下，持续不断发生变形及破坏。根据以上分析，拟对动压巷道3314回风巷采用切顶卸压技术-深孔预裂爆破方案。

1.1 钻孔倾角α、 β及布置位置

钻孔倾角α是指沿巷道断面方向钻孔与竖直方向的夹角，倾角β是指钻孔与巷道轴线水平方向的夹角。爆破钻孔倾角α要考虑爆破后，预裂线上方基本顶悬露长度等影响因素，理论上倾角α略偏向采空区效果最佳，不仅能够最大程度地缩短煤柱上方顶板悬臂梁长度，而且能够减少对煤柱上方顶板完整性的破坏，倾角α一般取值 10～30°，本次倾角α设计为 15°.倾角β过小需要增加爆破孔深度及炸药量，过大则给快速装药操作造成很大的困难。综合以上情况及以往施工经验，设计β=75°.现场钻机施工时，钻机人员操作台靠近巷帮一侧，禁止靠近胶带侧，考虑到施工安全和钻机结构限制，钻孔倾角β朝向工作面方向。钻孔位置S指钻孔开孔处与巷道煤柱侧巷帮的距离。理论上钻孔位置S越小越好[1]，但由于顶板钻机需要作业空间和方便顶板钻机施工等客观因素，钻孔位置通常需要取一定数值。因考虑到钻孔打设要向工作面方向偏斜 15°，为避免钻孔施工期间受锚杆、锚索以及3314回风巷端头打设木垛影响，确定爆破钻孔与煤柱帮距离1.5 m.综上所述，确定3314回风巷顶板爆破钻孔布置情况如图1所示。

图1 爆破钻孔布置示意

1.2 切顶高度H0

端头顶板悬顶主要是巷道上方顶板残留边界，而巷道顶板残留边界主要位于煤层上方基本顶范围内，因此解决端头悬顶问题，只需解决直接顶和基本顶垮落问题。切顶过程中，为能使顶板顺利跨落，切缝需要穿过直接顶和基本顶的较完整岩层，预裂切缝的高度H0直接影响到切顶效果和顶板的回转跨落。在工作面推进过程中，为了保证顶板垮落的矸石能够充分填满采空区，爆破切顶高度H0可根据公式(1)计算[2]。

(1)

式中：M为煤层厚度，取5.5 m；Kp为顶板岩石碎胀系数，通常取1.25～1.35.

计算得到H0=15.7～22 m.结合顶板岩性、顶板窥视结果和岩体的强度测试分析，确定爆破切顶高度H0需要覆盖到3314工作面上方20.3 m 的第4层泥质粉砂岩岩层(自下而上分别为：2.96 m的泥岩，5.79 m的细砂岩，5.21 m的粉砂岩和6.43 m的泥质粉砂岩)。因此，爆破切顶高度H0确定为20.39 m.钻孔深度可根据切顶高度和钻孔的方位角进行计算。孔深L=H0/(cosα·sinβ)=20.39/(cos15°·sin75°)=21.9 m.考虑深孔爆破对顶板锚索支护的影响，根据施工工程经验，留出安全间隙，建议孔深L取值 22 m.爆破钻孔布置层位如图2所示。

图2 爆破钻孔层位示意

1.3 封孔及装药工艺

本次方案所选炸药直径35 mm，聚能管最宽处42 mm，结合工作面顶板岩性、不耦合系数以及以往顶板深孔爆破预裂经验以及施工进度等要求，设计钻孔D=58 mm.考虑到现场采用聚能管辅助装药，单根聚能管1.5 m(含0.1 m为扩孔段，管接头)，为便于施工操作，设计装药长度12 m(8根聚能管)。考虑到单卷炸药0.2 kg，设计单孔装药量8.4 kg，共计42卷(装药段总长11.8 m，采用正向连续装药的方式，炸药尾端0.2 m用于连接雷管炮线等空间，尾端1.0 m为水泡泥缓冲区)。装药时将导爆索插入孔底炸药中，并用胶带缠绕固定，如图3所示。将炸药放入聚能管内，导爆索另一端与雷管相连，雷管和导爆索用绝缘胶带缠在一起。导爆索选用煤矿许用导爆索，规格为5.2～5.5 mm.隔离段采用1 m黄土泡泥，封孔长度1 m.封孔剩余段9 m的钻孔采用黄土炮泥+AET-F 水泥注浆组合封孔。

图3 装药结构示意

2 爆破切顶效果数值模拟研究

由于3314回风巷侧有部分顶板悬空，悬空区岩体给3312运输巷过高的压力，3312运输巷变形破坏风险加大。采用爆破方法在3314回风巷一侧的顶板预先产生松动面，改善放顶效果，释放部分加在3312运输巷的压力。采用有限元计算方法[3-4]，在确定了采区悬空步距和3314回风巷侧顶板悬空宽度的基础上，对比预裂顶板前后垂直应力指标，借以估计预裂爆破放顶的有效性。把直接顶以上的三层岩层作为老顶。悬空区正上方的老顶有破损区贯通时，认为老顶垮落，根据工作面老顶来压情况，确定20 m为临界悬空步距。结合3314工作面采掘条件，建立图4所示的模拟分析模型。

图4 数值模拟模型及方案示意

预裂前分析，指在没有进行预裂爆破的情况下，在临界步距的悬空状态下，各截面及方向上垂直应力的分布规律分析。用以与有预裂爆破情况的对比。预裂前悬空宽度取20 m；预裂钻孔中心距巷道右侧壁1.5 m，预裂面与竖直面夹角取 15°，老顶全部贯穿。预裂前后3314工作面后方10 m处煤柱内垂直应力变化规律如图5所示，可以看出，预裂面形成后，煤柱所在侧的压力减小，因此，预裂后整个煤柱的垂直应力都减小，煤柱内最小压力从16.63 MPa减小到15.46 MPa，减小了1.17 MPa，减幅为7.0%；同理观测3312运输巷煤柱侧帮部垂直应力表明，3312运输巷侧帮最大压应力从24.2 MPa减小到23.2 MPa，减小1.0 MPa，减幅约4.1%，预裂处理后侧帮垂直压力减小。预裂面的作用：预裂面切断了两侧老顶的力的联系，破坏了回风巷侧形成悬空的条件，使3314工作面承担更多的上覆压力，减小了3312运输巷的压力。

图5 预裂前后煤柱内垂直应力分布规律

3 巷道围岩变形监测

为准确掌握预裂爆破切顶后对3312运输巷矿压显现的影响，在3312运输巷布置测站监测巷道顶板及两帮的变形，测站间距25 m，位置详情如图6(a)所示，以1号测站为例，得到巷道顶底板、两帮相对移近量变化规律如图6(b)所示。

图6 测站详情及监测结果

超前邻近工作面约60 m时，巷道表面变形量开始逐渐增大，说明巷道受到邻近工作面超前支承压力影响明显，滞后邻近工作面0～40 m期间，巷道表面变形量增速渐缓，滞后邻近工作面距离大于40 m后，巷道表面变形量基本不再增大，1号测站处顶底板相对移近量最大值为154 mm，两帮相对移近量最大值为248 mm，巷道表面变形量在允许范围内，表明实施预裂爆破切顶技术后，3312运输巷受邻近工作面采动影响程度减弱，卸压及留巷效果良好。

4 结 语

以王坡煤矿3314工作面为例，展开深孔预裂爆破主动卸压技术研究，得出以下结论及建议：

1) 根据3314工作面采掘地质条件，设计3314回风巷顶板预裂爆破方案，确定爆破钻孔倾角α=15°、β=75°，爆破切顶高度H0=20.39 m.

2) 采用FLAC3D数值模拟研究分析表明，预裂后煤柱内最小压力减小了1.17 MPa，3312运输巷侧帮最大压应力减小1 MPa，预裂面切断了两侧老顶的力的联系，破坏了回风巷侧形成悬空的条件，使3314工作面及采空区承担更多的上覆压力，减小了3312运输巷围岩的压力。

3) 切顶卸压预裂爆破技术在3314工作面实践应用期间，预裂后，巷道表面变形量在允许范围内，受到邻近工作面采动影响程度减弱，卸压及留巷效果良好。