聚能爆破切顶卸压技术在工作面末采护巷的应用研究
王瑜
山西焦煤汾西矿业集团贺西煤矿 山西 吕梁 033300
摘要：针对贺西煤矿3#煤采区大巷受回采工作面末采期间采动应力的影响围岩变形较大问题，提出在工作面末采期间沿回撤通道内采用双向聚能爆破切顶卸压技术，同时采用恒阻大变形锚索对大巷围岩进行返修加固的方案。现场应用效果表明，该方案可切断回采工作面与大巷间顶板的应力传递，从而减小了工作面回采动压对大巷围岩的扰动，大巷围岩变形小，减少返修次数，增强了巷道围岩稳定性，取得良好的技术及经济效益。
关键词：采动应力，切顶卸压，补强支护，围岩稳定
Study on application of shaped charge blasting with top cutting and pressure relief technology in mining retaining roadway at the end of working face
Abstract: in view of the problem that the surrounding rock deformation in the no.3 coal mining area of hexi coal mine is greatly affected by the mining-induced stress at the end of mining face, this paper proposes a plan to adopt the double-direction shaped charge blasting to cut off the top and release the pressure along the backsliding channel at the end of mining face, and at the same time adopt the anchoring cable with constant resistance and large deformation to repair and reinforce the surrounding rock. The field application results show that this scheme can cut off the stress transfer between the stoping face and the roadway, thus reducing the disturbance of the roadway surrounding rock caused by the stoping pressure, reducing the deformation of the roadway surrounding rock, enhancing the stability of the roadway surrounding rock, and achieving good technical and economic benefits.
Keywords: mining-induced stress, cutting off the top to relieve pressure, reinforcing support, surrounding rock stability
0 引言
巷道是煤矿地面通向井下的咽喉，巷道安全对煤矿安全生产的重要性不言而喻，是煤矿实现高产高效的关键环节。大巷涉及煤矿的全生命周期，其具有断面大、服务周期长、支护质量要求高等特点，保持大巷围岩的稳定性对矿井安全稳定运行具有重要的作用。汾西矿业集团贺西煤矿井下3#煤采区大巷受回采工作面末采期间采动应力的影响，其轨道、运输、回风大巷均出现了围岩变形较大问题。各主要大巷原采用锚杆+锚索+喷浆作为永久支护，在工作面回采动压影响下，均发生不同程度的顶板下沉、底鼓、两帮移近量增大等矿压现象，巷道原支护系统已无法对巷道形成有效支承，大巷在服务年限内要经过多次返修，对矿井安全及效益产生了很大的影响，因此采取相关措施减小工作面末采回采动压对大巷的影响势在必行。通过介绍聚能爆破定向切顶卸压技术，切断回采工作面与大巷间顶板的应力传递，从而减小了工作面回采动压对大巷围岩的扰动，最终实现应力优化以维护大巷围岩的稳定。
1 工程背景
贺西煤矿3314工作面开采山西组3#煤层，工作面走向长度2200m，倾斜长度170m，工作面煤层底板标高为+607.7-+685.6m，3#煤为低灰、低硫主焦煤，根据钻探资料及井下实测资料，地质构造比较简单，基本呈单斜构造及次一级的褶皱构造，倾向SW，倾伏角0°~6°，平均3°，煤层厚度为1.13～2.37m，平均为1.75m，容重1.39t/m2。3#、4#煤层层间距约为14.4m左右。3314工作面位于三采区东翼，北部是3312工作面（采空区），南部为3#实体煤（3316工作面），西部为三采区三条采区大巷。为减小3314工作面回采动压对三采区大巷围岩的扰动，故在选择在3314工作面末采回撤通道内进行聚能爆破切顶卸压施工。
2 聚能爆破切顶卸压技术介绍
（1）双向聚能张拉成型爆破技术工艺及预裂原理
双向聚能张拉成型爆破技术由何满潮院士首创，期主要技术原理即将炸药放入两个设定方向有聚能效应的聚能装置中，待引爆炸药后，炮孔围岩会在设定方向和非设定方向呈现不同的受力状态，前者围岩主要承受拉应力，后者围岩主要发生均匀受压，最终实现被爆破岩体沿着设定的预裂发现发生张拉断裂。该项技术的关键点在于借助双向聚能装置来产生对岩体的张拉力，为达到理想的爆破效果，要求聚能管强度适中，既要减小对岩体的损伤，同时要减少作用于聚能装置上的能量消耗并降低成本。
（2）双向聚能张拉成型爆破技术特点
该项爆破技术与传统的切缝爆破、聚能爆破等方式相比，具有如下的技术优势：①充分利用了岩体卡抗压强度高而抗拉强度小的特点，炮孔间距实现了最大可能的增加；②对爆轰能量进行了控制，尽可能将对围岩的破坏作用降到最低；③单孔炸药消耗量较小，可将爆破成本进一步降低，经济效益显著；④现场操作简单，便于大规模进行推广使用。
（3）双向聚能张拉成型爆破力学机理
炮孔内的炸药起爆后，爆炸产生的能量冲击波首先对聚能装置所朝向孔壁发生作用，使其有裂隙产生，受到孔内聚能装置的作用影响，爆轰产生的高能量气体沿着初始裂隙方向涌入，其作用效果如同气楔一般，在初始裂隙方向有拉应力产生，其整个作用过程如图1所示，（a）图中首先产生聚能压力作用，岩体孔壁两侧受到压应力，（b）图中孔壁整体受压，而双向聚能装置在岩体局部区域有拉应力产生，（c）图中各炮孔间在轴向系列聚能孔张拉作用下最终形成贯穿裂缝。
图1 双向聚能张拉成型爆破受力模型
（4）定向预裂切缝设备
对煤矿巷道顶板进行定向预裂切缝的主要设备有：①DCA-45型切缝钻机，该钻机能够根据现场工程地质条件进行预裂钻孔的施工，具有钻孔速度快、安全高效的特点；②聚能张拉爆破管，其外部直径为42mm，内部直径为36.5mm，分长度为1000mm的BTC-1000型和长度为1500mm的BTC-1500型；③将多个聚能管连接的ORI-5000型专用连接定向器及防止聚能管转动的Fixer-42型固定器。
3 末采切顶卸压方案设计
本设计采用以“切顶卸压+恒阻大变形锚索支护”为主体的设计方案，通过预裂切缝爆破，在局部范围切断工作面顶板应力传递，减弱巷道顶板压力，且预裂爆破能够很好地保护巷道顶板完整性。利用恒阻大变形锚索对大巷进行补强加固，控制大巷围岩变形，使所大巷围岩能够最大限度地发挥自身承载作用，减少巷道变形。根据上述思路，结合以往工程经验和矿方意见，提出了以下设计方案。工程实施过程中，若发现支护强度不够，巷道变形过大，应及时调整支护方案，采取应对措施。在3314工作面停采线位置进行切顶卸压。切顶位置如图2所示。
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图2 3314工作面回撤通道切顶位置示意图
3314工作面煤层直接顶为黑色泥岩、老顶为黑色砂质泥岩及粉砂岩、直接底为灰色西粒砂岩、老底为砂岩。根据工作面工程地质条件在3314工作面回撤通道内进行切顶卸压施工方案设计，根据回撤通道内直接顶垮落及顶板上离层情况，将切顶卸压施工范围划分为3个区域，即图4中的Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区，如图3所示，切顶卸压分区施方案技术表如表1所示，回撤通道施工剖面如图4所示。
图3 回撤通道切顶卸压施工分区示意图
表1 切顶卸压分区施工方案技术参数一览表
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技术参数 |
Ⅰ区 |
Ⅱ区 |
Ⅲ区 |
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切缝角度/深度 |
10°（偏向采空区）/11500mm（6*1.5m聚能管+2.5m炮泥） |
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切缝孔距煤壁距离 |
2300mm |
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切缝孔间距 |
1000mm |
750mm |
1000mm |
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切缝孔一次起爆数量 |
≤4个 |
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锚索类别/规格 |
NPR恒阻锚索/φ21.8×7500mm |
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锚索距煤壁距离 |
700mm |
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锚索间距 |
750mm |
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聚能管装药结构 |
3+3+3+2+2（顶部为3） |
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工序 |
大切缝钻孔→装药起爆→回撤支架 |
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图4 3314工作面回撤通道切顶卸压施工剖面示意图
临近3314工作面三条大巷设计为直墙半圆拱结构，采用锚网索+喷浆支护。顶锚采用φ22×2400mm左旋螺纹钢锚杆，每排9根，帮锚采用φ20×2200mm左旋螺纹钢锚杆，每排6根，锚杆间排距均为800×800mm。锚索为φ21.6mm钢绞线，顶锚索长为6300mm，每排7根，帮锚索长为4300mm，每排2根，间排距为1200×1600mm。切顶卸压前对大巷进行补强支护，大巷顶部采用3根恒阻锚索均匀布置，两帮各采用1根恒阻锚索支护，恒阻锚索直径为21.8mm，长度为7500mm，排距为1500mm。
4 效果分析
工作面末采时岩回撤通道进行切顶卸压施工后，为考察双向聚能爆破切顶卸压施工的效果，在三采区运输大巷内布置矿压观测站，对巷道围岩变形进行两个月的观测，绘制如图5所示的围岩变形曲线。
图5 切顶卸压施工后大巷围岩变形曲线图
由图5可知，对末采回撤通道进行切顶卸压施工后，采区运输大巷在12d内围岩快速变形，两帮变形最大变形速率为11.66mm/d，顶底板移近量的最大变形速率为5.83mm/d，此后巷道围岩变形逐渐趋于稳定，最终巷道两帮累计移近量为160mm、顶底板累计移近量为80mm，巷道围岩变形量较小，实现了巷道围岩的稳定。
5结论
（1）采用以“切顶卸压+恒阻大变形锚索支护”为主体的设计方案，通过预裂切缝爆破，在局部范围切断工作面顶板应力传递，减弱巷道顶板压力，且预裂爆破能够很好地保护巷道顶板完整性。利用恒阻大变形锚索对大巷进行补强加固，控制大巷围岩变形，使所大巷围岩能够最大限度地发挥自身承载作用，减少巷道变形。
（2）对末采回撤通道进行切顶卸压施工后，采区运输大巷两帮累计移近量为160mm、顶底板累计移近量为80mm，巷道围岩变形量较小，实现了巷道围岩的稳定。
参考文献：
[1]李宇.综放工作面回撤通道水力压裂切顶卸压技术研究[J].同煤科技,2019(04):21-23.
[2]刘大千.初采切顶卸压在马兰矿18506工作面的应用[J].煤,2019,28(07):51-53.
[3]李永峰.马兰煤矿18301工作面切顶卸压技术研究[J].煤,2019,28(07):45-46+53.
[4]杨晓杰,孙跃,王二雨,毛文彬,舒昱,彭文雨.切顶卸压自成巷技术在浅埋中厚煤层开采中的应用[J].中国矿业,2019,28(07):124-129.
[5]马力.切顶卸压技术在工作面终采线的研究及应用[J].能源与环保,2019,41(05):141-144.
