综采放顶煤工作面风巷深孔预裂爆破切顶卸压技术应用

综采放顶煤工作面风巷深孔预裂爆破切顶卸压技术应用

程东峰

（淮北矿业集团芦岭煤矿 安徽宿州 235000 ）

【摘要】针对芦岭煤矿综采放顶煤工作面巷道超前压力影响范围大、维护困难等问题，提出了工作面顶板深孔爆破卸压技术研究，结合现场条件确定钻孔参数、爆破参数，并进行了现场试验。减小Ⅱ888工作面回采对区段小煤柱、采动应力对沿空巷道（风巷）的影响，实现工作面安全回采。

【实验结果表明】深孔爆破卸压后，工作面风巷应力集中得到缓解，顶板岩层间的应力传递被减弱，改善了窄煤柱护巷围岩应力环境，围岩变形得到有效控制。

【关键词】综放工作面切顶卸压；巷道围岩超前压力；深孔预裂爆破

0．引言

窄煤柱沿空掘巷具体是指沿上一相邻工作面已垮落采空区边缘通过留设窄煤柱的方式掘出新巷作为下一工作面回采巷道的一种巷道掘进方法，此种技术通常在采空区边缘，预留一定宽度的煤柱避开上区段工作面回采产生的剧烈扰动，改善掘巷围岩的应力环境。

受工作面回采超前应力和侧向支承应力的影响，工作面回采巷道围岩发生剧烈变形，巷道严重变形会导致回采工作面无法正常推进﹐同时带来一系列安全问题。因此需要采取切顶卸压的方式将巷道采空区侧顶板切断，减少巷道悬顶宽度，降低窄煤柱沿空掘巷顶板压力。本文以芦岭煤矿Ⅱ888综放工作面风巷为工程背景，研究分析了煤矿小煤柱沿空掘巷切顶卸压技术原理并行性现场实施，应用结果表明该项技术能够减小工作面回采对区段小煤柱、采动应力对沿空巷道（风巷）的影响，确保工作面安全回采的目的。

1．概况

芦岭煤矿是淮北矿业集团下属生产矿井，目前回采的Ⅱ888综放工作面处于二水平Ⅱ88采区，位于Ⅱ88采区西翼，工作面西侧为芦岭煤矿与朱仙庄煤矿井田边界保护煤柱线，北侧为未准备的Ⅲ842工作面，东侧为F14断层保护煤柱线，南侧为Ⅱ886-1工作面采空区。地面标高22.6～23.6m，工作面标高-451.2～-537.0m，煤层厚度3.3～15.2m，平均煤厚9.79m，走向长度458.2～493.5m（平距），平均475.8m，煤层倾角12～32°，平均23°。Ⅱ888综放工作面煤层赋存较稳定，结构复杂。8煤，黑色，鳞片状，半亮型。8煤层厚1.0～18.4m，平均9.1m，工作面东北部（收作线附近）发育有2层夹矸，每层夹矸平均厚0.79m，向西南部逐步尖灭，岩性主要是泥岩～碳质泥岩。工作面煤层整体呈两端厚，中间薄和由上向下逐渐变薄发育趋势。

Ⅱ888综放工作面风巷窄煤柱沿空掘巷，跟8煤底板施工，采用三心拱U型钢棚+锚索梁+锁腿梁支护，棚距600mm。该巷道围岩受上区段工作面采动影响（侧向支承压力），围岩变形强烈、破坏范围大，极易出现巷道底鼓和帮部移近量增大等问题，同时受本区段工作面采动影响（超前采动应力+本工作面侧向支承压力），小煤柱变形严重，导致巷道围岩控制极其困难，从而增加了巷道支护难度。

2．预裂爆破切顶卸压技术原理

上区段工作面煤体被采出后，上覆顶板相继垮落，在下区段巷道侧形成相互铰接的弧形三角块，在矿山压力作用下，以煤柱侧断裂线位置为支点产生旋转下沉，对煤柱产生附加载荷作用，严重影响煤柱和沿空巷道稳定性。

Ⅱ866-1工作面回采结束后，基本顶断裂位置在煤柱上方并偏向Ⅱ888工作面。Ⅱ888工作面回采后，其基本顶砂岩（层厚4.35m）发生破断旋转，Ⅱ888工作面采空区碎胀矸石与区段煤柱共同承担上覆岩层重量。为削弱上覆岩层破断回转对区段煤柱的附加载荷，优化沿空巷道煤柱的顶板承载结构，确保巷道的稳定性，在采取预裂爆破过程中，尽可能把上区段Ⅱ866-1工作面采空区顶板与Ⅱ888工作面风巷顶板之间的约束降低，降低顶板岩层间的应力传递，降低实体侧煤帮和煤柱内的应力，从而优化应力环境。为弱化Ⅱ888工作面倾向方向基本顶之间的约束程度，提出在Ⅱ888风巷内靠近区段煤柱侧实施切顶卸压的技术方案，如图1所示。

图1 Ⅱ888风巷煤柱侧切顶卸压方案

切顶卸压技术原理是通过对Ⅱ888风巷区段煤柱（偏向Ⅱ866-1工作面采空区）实施顶板深孔预裂爆破进行超前切顶卸压，以求达到降低小煤柱应力集中，有效控制巷道围岩变形的目的。方案中设计预裂爆破炮孔角度为10-15°，预裂爆破后减小上区段采空区侧向悬顶长度，同时切落矸石会对更上位的岩层起到一定的支撑作用，使得小煤柱应力集中得到缓解；同时降低了Ⅱ866-1工作面采空区顶板与Ⅱ888工作面之间的约束程度，顶板岩层间的应力传递被减弱，改善窄煤柱护巷围岩应力环境，从而使得窄煤柱护巷围岩变形得到有效控制。

3．预裂爆破切顶卸压方案

Ⅱ888风巷设计推进长度467.8m，根据矿井生产计划、巷道支承压力影响范围和顶板岩层赋存特征等条件，设计第一次预裂爆破超前工作面切眼200m施工，施工范围100m。

预裂爆破施工范围内不同位置的巷道顶板岩层赋存特征不同，如图2所示，从图中可以看出顶板厚度变化较大。所以

在结合巷道掘进期间矿压监测数据、顶板钻孔窥视结果、应力监测数据等结果分析后，确定工作面风巷F4点至F7位置顶板变化较小，顶板厚度较薄，便于控制第一次施工时预裂爆破效果。以Ⅱ888综放工作面E-E’剖面（机巷距切眼324.3m）进行方案设计，如图2（a）所示。

（a）倾向剖面炮孔布置

（b）炮孔平面布置

图2 炮眼布置示意图

方案中，设计切顶高度控制在8煤层顶板第2层硬岩层底板，开孔位置位于巷道顶板，距离小煤柱帮部1m（考虑钻机的摆放位置，可根据现场实际合理调整），切顶角度偏向Ⅱ866-1工作面采空区方向15°，即钻孔的仰角设计为75°，炮孔长度32m，切顶间距8m，垂直于Ⅱ888工作面风巷区段煤柱侧巷帮施工。为了提升钻机钻进效率，现场采用ZDY-3200型履带式钻机施工炮孔。

预裂爆破孔第一次试验范围选择为48m，炮孔间距8m，共6个炮孔。由于工作面采用放顶煤回采，为避免一次性放炮数量多对顶煤瓦斯造成较大扰动，在施工时采用一孔一爆破的方式进行。同时，为了确保安全施工，现场施工期间，可根据现场打钻进展情况，合理调整预裂爆破参数。在后期施工预裂爆破时，可依据前期爆破经验，逐步调整一次性放炮数量。

在结合以往现场施工经验后，超前深孔预裂松动爆破封孔长度般取炮孔深度的25%-40%，且不低于10m。同时，由于钻孔穿煤层施工，封孔位置必须超过8煤层5m以上，设计炮孔斜长32m，封孔长度13m，装药长度19m，药量则按照（炮眼深度-封堵长度）×3.3Kg计算。

炸药选用直径63mm的煤矿许用水胶药柱，配合导爆索引爆炸药。炮孔装药采用正向装药方式，根据炮孔角度防止药管下坠，需装入防滑钢丝，最后装入炮头。由于钻孔施工需穿过8煤层，穿煤层部分需下套管护孔，防止装药时出现塌孔，从而影响炸药安装；同时确保钻孔内壁光滑，防止有大块矸石堵塞炸药影响安装。使用人工装药方式，用探孔管送药，一次不超过6m。炮孔施工完毕后，装药，炮头线接头短路。每装好一处炸药及时采用水泥注浆封孔。

炮头制作方法：先将药筒的内丝盖子用老虎钳拨出，在盖子或管体侧面钻一个5mm的孔用于穿放炮导线，将放炮导线穿入该孔中打结。再将两发电雷管脚线剪掉只保留20cm长，分别与胶质放炮线各连接一发电雷管，为防止短路和断路，其接头先用绝缘胶带裹紧，再用自粘胶带裹紧包扎防水。

封孔器材与封孔工艺采用“一堵一注”或“两堵一注”封孔工艺。现场注浆封孔，采用矿用专用注浆封孔材料，利用注浆泵向囊袋内注入浆液，注浆压力控制在1.6～2MPa。待返浆管返浆后，将返浆管扎牢，注浆凝固24h后起爆。

同时，考虑到预裂爆破的工期进度和工作面推进速度，计划在工作面试生产后同步施工炮孔，并合理调整炮孔施工和爆破班次，以降低炮孔施工和爆破期间对生产和运输系统的影响。

4．应用效果分析

在Ⅱ888风巷深孔预裂爆破切顶卸压施工结束后，为及时观测Ⅱ888风巷切顶卸压区域巷道围岩变形情况，掌握巷道矿压规律，对切顶区域采用“十字”布点法每间隔50m设置1组观测站，定期对巷道顶底板移近量和两帮移近量进行观测分析，根据48天内观测数据整理出曲线图，如图3（b）所示，在比对预裂爆破前巷道矿压显现曲线图，如图3（a）所示，分析顶板深孔预裂爆破对顶板周期来压步距、来压强度的影响，得出结果如下。

通过图3（a）、（b）两组变化曲线图可以看出，风巷巷道变形量在预裂后矿压显现逐步放缓，证明了深孔预裂爆破切顶卸压技术可有效实现人为干预基本顶的断裂位置，主动调控矿山压力，改变沿空巷道顶板上方围岩的应力分布，使应力集中得到可靠缓解。巷道顶板岩层间的应力传递减弱，能够极大地改善窄煤柱护巷围岩应力环境，使围岩变形程度得到有效控制，保障工作面安全回采。

5．结术语

淮北矿业集团芦岭煤矿通过对Ⅱ888风巷深孔预裂爆破切顶卸压技术研究和试验，形成了一套窄煤柱沿空掘巷道切顶卸压护巷关键技术体系，达到提高护巷效果，减小巷道修复量，大幅提升集约高效生产技术水平的目的，对保障矿井安全高效开采具有重要意义，为其他类似条件的矿井采区准备巷道维护提供重要的数据参考，具有很好的推广应用价值。

参考文献：

1．马言,陈芝毓,郭标.预裂爆破技术在切顶卸压沿空留巷中的研究与应用[J].能源技术与管理, 2020, 45(4):4.DOI:10.3969/j.issn.1672-9943.2020.04.034.

2．马力.切顶卸压技术在工作面终采线的研究及应用[J].中州煤炭, 2019(5).

3．吴兆华.淮南潘三煤矿坚硬顶板深孔预裂爆破参数研究[D].煤炭科学研究总院,2013.DOI:10.7666/d.Y2512000.

4．张蓓.厚层放顶煤小煤柱沿空巷道采动影响段围岩变形机理与强化控制技术研究[D].中国矿业大学,2015.