焦家寨矿深井高地应力切顶护大巷关键技术研究

张金龙

（晋能控股煤业集团 轩岗煤电有限责任公司，山西 忻州 034114）

1 概 况

焦家寨矿221 采区下山延深共3 条下山，平均埋深超过600 m，22116 工作面位于矿井+680 水平，扩221 采区，开采2 号煤层，工作面走向长810 m，倾斜长146 m。工作面标高+789—831 m，对应地面标高+1 355—1 265 m，平均埋深680 m。工作面井下位于矿井深部水平，改扩建221 采区下部，上界为221 采区22114 采空区，下界为实体煤层，西为221 总回风巷、221 轨道巷及221 区皮带巷，东为井田保安煤柱。大巷之间的关系及其与采煤工作面之间的关系如图1 所示，自西向东分别为221 区皮带下山延深、回风下山延深、轨道下山延深，下山之间间距31.3 m 和36 m。2 号煤层平均厚度4.7 m，最大厚度7.3 m，采用低位放顶煤回采方法，采高较大，采动影响范围远，采动压力较大，且3 条下山均布置在煤层中，抵御矿压的能力较弱。

图1 221 区轨道下山延伸布置示意Fig.1 Layout of track downhill extension in 221 area

以往回采过程中，工作面停采线距离轨道下山延深约41～86 m，在工作面接近停采线时，下山变形破坏严重，顶板下沉、两帮帮鼓、底板底鼓，巷道断面大幅收敛，为此矿方投入了大量的人力、物力对下山进行返修，返修工程量大、费用高。为了较好地保护采区巷道，防止综放工作面开采所产生的采动压力对采区巷道产生变形、甚至破坏，对矿井后期的生产和安全构成不利影响，对焦家寨矿现场进行了调研，对221 采区大巷及22116 工作面地质及开采条件进行分析，在此基础上提出合理的切顶卸压方案及爆破相关参数，实现巷道围岩变形的有效控制。

2 工作面停采线切顶卸压方案

工作面开采时，产生的采动压力较大，且会超前于工作面本身向前传递。切顶卸压护大巷即在22116 停采线附近采用爆破的方式切断工作面与采区大巷之间上方顶板的力学联系，使工作面内的采动压力向上方更深的地方与两侧实体煤转移，减小工作面采动应力影响范围，降低其大小，从而实现对工作面前方的采区大巷的保护作用，为矿井长期正常与安全生产提供保障。

2.1 切顶卸压方式的选择

工作面顶板切顶卸压逐渐成为解决动压巷道高应力问题的重要技术手段，主要有爆破法和水力压裂法。

爆破法是最早发展起来的，也是世界范围内应用最为广泛的卸压技术，最早应用于南非金矿，目前广泛应用于冲击地压防治、煤与瓦斯突出防治、坚硬顶板放顶等领域。水力压裂技术除了广泛应用于地应力测试外，在采空区坚硬顶板处理、煤层冲击地压防治、瓦斯突出防治和煤层瓦斯增透等方面也得到尝试和应用，从水力压裂在矿山的应用来看，应用于煤层的案例数远远多于岩层，主要原因在于煤层内应用水力压裂需要的压力不大，技术要求相对简单。

考虑爆破切顶卸压相对较为成熟，能够保证定向预裂，此次焦家寨矿22116 工作面确定采用爆破预裂切顶卸压。

2.2 预裂爆破切顶施工位置的选择

工作面顶板爆破预裂切顶的位置主要有3 种：①工作面两巷深孔预裂爆破（停采线外15～30 m），超前爆破，不占用工作面检修和生产时间，效率较高，不用开掘专用的工艺巷，巷道工程量少，但影响两巷的运输与维护，要求两巷的断面较大；②工艺巷深孔爆破预裂（平行于采面布置，停采线外15～30 m），增加了巷道的掘进量，投资较大，采煤与掘进相互干扰，增加了生产系统的复杂性，与在两巷爆破相比，爆破孔施工深度较小，施工难度小，爆破效果较好；③工作面架间深孔爆破（停采线），有利于充分利用爆炸能量，但空间小，施工难度大，安全性差。

通过对上述3 种位置的对比可以发现，第2 种工艺巷深孔爆破预裂掘进工程量较大，经济上不合理，而且采掘系统相互干扰，增加了生产系统的复杂性和安全隐患，第3 种也存在施工难度大、安全性差的问题，而第1 种则具有工程量较小、对生产影响较小的优点，只是炮孔深度较大，具有一定的施工难度。综合考虑选择第1 种位置，即在两巷内布置爆破孔进行爆破预裂。同时考虑22116 工作面接近停采线时，避免出现切顶后的大面积悬顶作用于支架，因此保留一定的安全距离，其安全距离应不小于老顶的周期来压步距，周期来压步距约15～20 m，因此确定切顶位置与停采线的距离为20 m，如图2 所示。

图2 切顶位置布置示意Fig.2 Layout of cutting top position

2.3 目标切顶高度的确定

切顶卸压成功的关键是实现对关键层的切顶。通过在停采线附近两巷内布置深孔炮眼，装药爆破切断关键岩层，从而减少回采过程中采动应力对大巷的破坏。根据22116 工作面Ⅵ02 地质钻孔资料，岩层岩性及厚度特征如图3 所示，顶板上方分别为5.57 m 中粒砂岩、4.64 m 泥岩和9.68 m 粗粒砂岩。通过分析，5.57 m 中粒砂岩为亚关键层，直覆煤层上方，在矿山压力作用下可直接破断垮落；9.68 m的粗粒砂岩为主关键层，位于垮落带上部、弯曲下沉带下部，不易破断，是此次目标切顶岩层。目标切顶高度为24.6 m，考虑10%的岩层厚度变化，以及2 m 开孔考度，实际确定切顶高度为25.06 m。

图3 Ⅵ02 地质钻孔Fig.3 VI02 geological drilling

2.4 两顺槽爆破切顶方案

爆破参数包括炮孔深度、炮孔间距、起爆方式等。

（1）炮孔直径。考虑爆破效果、施工机具以及钻眼工程量等因素，确定预裂爆破的炮孔直径为50～55 mm，可根据机具情况适当调整，钻孔直径应为PE 管外径的1.2～1.3 倍。

（2）炮孔深度。如前所述，为了保证切顶卸压效果，切顶的高度应进入煤层顶板的主关键层，综合考虑岩层厚度变化、开孔位置等，实际切顶高度为25.06 m，钻孔深度根据切顶高度、钻孔倾角和煤层倾角确定。

（3）炮孔间距。综合考虑应力波叠加作用、顶板岩性及深孔预裂爆破等因素，借鉴深孔预裂爆破工程经验，炮孔孔底间距不超过10 m。

（4）封孔长度。为保证安全及爆破效果，封孔长度应大于爆破孔长度的30%。

（5）装药结构。合理的装药结构能够避免拒爆、殉爆发生，提高爆破效果。此次采用单雷管引爆，一次起爆的所有雷管采用同一段别，孔内均采用并联连接，孔间采用串联连接。采用3 m 长的PE 管作为载体，PE 管之间不需要连接，每根PE管内装1 列10 卷炸药。

综上分析，此次设计的钻孔布置详情如图4 及表1。

表1 22116 工作面两巷深孔预裂爆破参数Table 1 No.22116 Face two roadway deep hole pre-splitting blasting parameters

图4 钻孔布置示意Fig.4 Borehole layout

3 应用效果分析

在22116 工作面对应221 下山范围内每间隔50 m 设置1 个测站，共计5 组，每周观测3 次，巷道变形速度较快时，相应增加观测次数；变形稳定后，减少至每周1～2 次。在22116 工作面停采后，得到轨道下山围岩变形曲线如图5 所示。

图5 轨道下山表面位移量监测结果Fig.5 Monitoring results of surface displacement of track downhill

工作面停采约2 个月后，巷道表面变形量基本保持不变，两帮变形量增幅为20～30 mm，顶底板增幅为30～45 mm，整体变化量很小，采动压力对采区巷道围岩稳定性的影响明显减小，此卸压方式能够很好满足维护采区下山的需要。

4 结 语

针对焦家寨矿采区巷道在回采工作面采动影响下围岩控制问题，基于22116 工作面实际地质条件，通过理论分析、工程类比、矿压监测等方法进行切顶卸压。22116 工作面采用爆破预裂切顶卸压技术，切顶位置与停采线的距离为20 m，切顶目标岩层为9.68 m 的粗粒砂岩主关键层，设计炮孔深度、炮孔直径、炮孔间距等具体参数。22116 工作面进行爆破预裂切顶卸压后，采取轨道下山在采动影响下两帮移近量增幅为20～30 mm，顶底板增幅为30～45 mm，巷道围岩稳定性良好，保护了采区巷道，满足矿井安全生产的需要。