综放工作面巷道爆破切顶卸压技术应用

刘 莹，侯宇峰，陈玉龙

（1.阳泉市燕龛煤炭有限责任公司程庄煤矿，山西 寿阳 045000；2.阳泉市燕龛煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000；3.晋能控股山西科学技术研究院（太原）科技公司，山西 太原 030000）

0 引言

晋能控股煤业集团程庄煤矿矿井位于阳泉市郊区河底镇程庄村西1.5 km 处，地跨阳泉市郊区河底镇和盂县路家村镇，生产规模为240 万t/a，获批开采3#～15# 煤层，井田东西长4.793 km，南北宽2.2 km，井田面积9.816 7 km2。矿井现开采的15#煤层位于石炭系上统太原组下部，上距9#煤层88.94 m，煤层厚度6.20～7.40 m，平均厚为7.30 m，为全井田稳定可采煤层，井田内结构简单，大多不含夹矸，局部含3 层夹矸，煤层顶板为K2 石灰岩，有0.8 m 厚炭质泥岩伪顶，底板为砂质泥岩。

程庄煤矿15#号煤层工作面区段保护煤柱一般留设20 m 以上，造成煤炭采出率低、两工作面两端头悬顶面积大的同时，经过现场观测发现，顺槽在遇到采动影响时，邻近工作面开采时侧向支承压力和现采工作面超前支承压力在区段保护煤柱上方及周围出现叠加引起应力集中，从而使得区段保护煤柱及其顺槽巷发生变形、底鼓等现象[1]，巷道位于高应力区，增加了巷道维护难度等问题。所以为了实现小煤柱沿空掘巷、提高矿井（采区）回采率及缓解矿井工作面的接替紧张矛盾、减少巷道的维修工程量[2]、确保工作面巷道的安全使用，决定对程庄煤矿厚煤层综放工作面实施深孔爆破切顶卸压技术。

1 概述

晋能控股煤业集团程庄煤矿15314 工作面位于井田西部靠近井田边界、主要大巷北翼。西部为山西圣天宝地清城煤矿，北部为盂县恒泰皇后煤业有限公司南部为15#煤层主要开拓大巷。东部为15312 设计工作面。上覆9#煤层对应为本矿9508 工作面采空区，由于9#～15#煤层层间距90 m，对15314 工作面采掘无影响。

15#煤层位于太原组下部，煤层厚度6.20～7.40 m，平均7.30 m，煤层结构简单～复杂，一般含0～3 层泥岩夹矸，煤层的可采性指数为1，煤层厚度变异系数为8.54%。

15314 工作面设计长度为1 515 m，倾向长度为230 m，工作面共布置有5 条巷道，分别为：进风顺槽、回风顺槽、开切眼、低抽巷、高抽巷；进风顺槽、回风顺槽、切眼均沿15#煤层底板掘进，低抽巷沿15#煤顶板掘进，现已封闭，高抽巷沿10#煤煤层顶板掘进，现已封闭；进风顺槽、回风顺槽、低抽巷、高抽巷大致沿煤层的倾向布置，工作面切割巷沿煤层走向布置，15314 工作面低抽巷距离回风顺槽15 m，15314 高抽巷沿10#煤层顶板掘进,距15#煤层垂直距离60 m，距回风顺槽水平投影距离58 m。

为了保证工作面煤柱最大限度回采，降低煤柱应力破坏现象，决定对15314 工作面采取深孔爆破切顶卸压技术。

2 工作面采场矿压观测分析

2.1 观测方法

15314 工作面支架初撑力、工作阻力采用实时在线监测；两端头悬顶垮落情况、两顺槽超前锚杆（索）支护载荷变化情况、巷道顶底板及两帮移近量均采用人工观测。

2.2 测站布置

1）15314 工作面安装有1 套矿压在线监测系统，工作面两端头过渡支架均布置一组测站，中间架每10 个支架设置一组测站，测站编号从进风端头开始顺序编号，每架支架安设一个压力传感器，综放工作面压力传感器通道接前立柱，用于实时工作面支架的初撑力、工作阻力。

2）进回风顺槽每50 m 分别在顶板锚杆、锚索安装有1 台机械式油压压力枕，用于监测锚杆（索）支护载荷变化情况，每7 d 进行1 次观测。

3）进回风顺槽每50 m 分别布置1 个巷道顶底板及两帮移近量观测站，采用“十”字观测法，每7 d 进行1 次观测。

2.3 观测结果分析

1）15314 工作面初采期间，当工作面推进11 m后，机架推出切割巷，机头机尾顶煤逐渐开始垮落；当工作面向前推进度进风22.2 m，回风16.2 m，采空区直接顶初次垮落，厚度1.1～2 m，支架压力开始逐步增大，因此，15314 工作面直接顶初次垮落步距为16.2～22.7 m，平均19.4 m。

2）15314 工作面推进至29 m 时，工作面第一次出现压力增大现象，多数支架工作压力为30～38 MPa之间，听到“轰轰”的断裂声，部分支架尾梁处可见矸石，分析为基本顶矸石垮落。因此，15314 工作面顶板初次来压步距为29 m。

3）根据支架工作阻力监测曲线图和工作面现场实际观测情况分析，工作面的周期来压步距为18～20 m。工作面周期来压时，能听到顶板“轰轰”的断裂声，且煤壁多处片帮，并且支架压力表读数普遍增大，支架工作阻力明显增大[3]。

4）15314 工作面进、回风顺槽两端头采用超前液压支架进行端头支护和加强支护，超前支护长度20 m。经过观察得知，在周期来压期间，进回风顺槽超前支架压力表读数明显增大，并且有支架安全阀卸液现象。

5）15314 工作面回采期间，两顺槽20 m 超前支护外锚杆（索）支护载荷、顶底板及两帮移近量仅在初采期间观察到有数据变化，随着后期工作面正常推进，未观察到数据变化。因此15303 工作面两顺槽超前应力影响范围不超过20 m。

3 深孔爆破切顶卸压技术应用

3.1 预裂切顶卸压原理

切顶卸压技术即是在工作面回采前，在本工作面超前一定距离内，利用预裂爆破技术在巷道上方和煤柱帮上方基本顶之间形成切缝，避免煤柱帮上方顶板出现“O-X”破断情况[4]，切断煤柱侧顶板与采空区侧顶板之间的联系，消除或减弱采空区侧基本顶回转、断裂、垮落对煤柱侧的影响，使侧向支承压力峰值降低并向深部移动，有效降低巷道围岩应力集中程度[5]。

3.2 切顶卸压爆破孔布置参数

1）为了实现小煤柱回采，决定对15314 运输顺槽实施切顶卸压技术，卸压钻孔布置在运输顺槽沿巷道轴向超前回采工作面进行打孔和爆破，工作面后方顶板在回转作用下沿定向预制裂隙贯通，使采空区顶板能够沿着预裂切顶线及时垮落。

2）钻孔深度为14 m，直径为50 mm，钻孔布置间距为0.8 m，钻孔布置在距煤壁0.3 m 处，切缝整体呈直线布置，钻孔与水平方向的夹角为0°，钻孔与竖直方向的夹角90°，钻孔封孔长度为5.0m，爆破长度为9.0 m，如图1 所示。

图1 15314 进风巷爆破预裂钻孔布置示意图

3.3 爆破施工工艺

1）爆破预裂孔施工完后对钻孔内安装D 型聚能管，每节聚能管长度为2.0 m，直径为33 mm，钻孔内共计安装5 节聚能管，采用专用工具在聚能管内进行连续充填，爆破孔口采用炮泥封孔。

2）聚能管安装后对钻孔内安装三级矿用乳化炸药，单孔装药量确定为5.6 kg，矿用三级乳化炸药200 g/卷，每孔需要28 卷炸药。用单孔间隔装药方式。一次起爆的切缝孔数量1～3 个。遇到巷道交叉口等特殊地段要减少一次起爆孔数量。

3.4 爆破切顶卸压注意事项

1）爆破前，在爆破地点前后10 m 范围内距煤柱帮1 200 mm 处顺巷支设一排带帽单体点柱加强支护，柱距1 000mm；柱帽采用11#矿用工字钢或∏型钢梁，长度1 000 mm。

2）爆破作业期间，回风顺槽内严禁有人员逗留。爆破人员在距工作面爆破地点300 m 外进风顺槽内放炮，并等有害气体冲散后方可再进入工作面。已经爆破的区域严禁任何人员进入。

3）在遇地质构造（断层、陷落柱等）变化区域、顶板破碎严重区域严禁进行切顶卸压施工作业，应采取相应的加强支护措施；切顶作业应在不受工作面采动应力影响区域，超前工作面两顺槽超前支护范围以外50 m。

4）15314 进风巷从巷道开口起，开始布置测站并编号。分别在15314 进风巷、掘进工作面开口处、所有断面变大的交叉点处、地质构造段前后5 m 处、顶板完好段每隔50 m 布置顶板离层仪，并实时进行观察。

4 结语

通过对15314 进风巷顶板采取深孔爆破切顶卸压技术后，工作面在后期回采过程中采空区顶板沿切顶线实现了全部垮落，进风巷围岩及预留的小煤柱未出现受应力作用出现垮落、破碎现象，小煤柱预留完整性好，控制了围岩变形现象；同时采用切顶卸压技术后，实现了工作面小煤柱及无煤柱回采，与传统预留宽煤柱相比，采用切顶卸压技术实现小煤柱回采后，15314 工作面可增加煤柱回采量达1.45 万t，取得了显著应用成效。