宋雷庭

(山西長平煤業(yè)有限責任公司，山西 高平 048400)

引 言

煤礦井下支護穩(wěn)定性直接關(guān)系到煤礦綜采作業(yè)效率和綜采安全，井下的支護穩(wěn)定性受多重因素的影響，特別是在綜采作業(yè)深度不斷增加、巷道地質(zhì)條件愈加復雜的情況下，傳統(tǒng)的單純依靠加強支護的方案已經(jīng)無法滿足綜采作業(yè)效率日趨提升的需求[1]，因此如何保證在不增加支護周期、支護成本的情況下提高圍巖支護穩(wěn)定性，便成了各煤炭生產(chǎn)企業(yè)不斷探索的核心問題。針對現(xiàn)有煤礦井下圍巖結(jié)構(gòu)支護穩(wěn)定性差，易垮落，影響井下支護穩(wěn)定性的現(xiàn)狀，本文提出了一種新的井下切頂卸壓圍巖支護方案，其采用了聚能拉伸爆破方案，即能夠?qū)敯搴蛧鷰r的有效切割，切斷礦壓波動的傳遞途徑而且還能實現(xiàn)定向爆破切割，確保巷道頂板的穩(wěn)定性，根據(jù)實際應用表明該方案能夠?qū)⑾锏绹鷰r兩幫的變形量降低69.4%以上，顯著的提升了煤礦井下巷道圍巖的支護穩(wěn)定性和綜采作業(yè)效率，具有較大的應用推廣價值。

1 巷道圍巖變形機理分析

為了對煤礦井下巷道圍巖的變形原因進行分析，以典型復雜深層采區(qū)綜采巷道地質(zhì)結(jié)構(gòu)為研究對象，該巷道的埋深約為710 m，綜采面的長度約為207 m，采用了大采高機械綜采方案，頂板管理采用了全垮落頂板管理方案，井下煤層的平均厚度約為5.7 m，巷道的平均傾角約為3.2°，頂板以泥質(zhì)粉砂巖為主，底板以細砂巖為主，屬于較為典型的深層不穩(wěn)定煤層地質(zhì)條件。在不同深度煤層下不是單回路地應力測量系統(tǒng)[2]，對地質(zhì)應力波動情況進行研究，不同深度情況下的監(jiān)測結(jié)果，如圖1所示。

圖1 不同深度地質(zhì)條件下的應力變化曲線

由圖1可知，隨著地層深度的增加，巷道內(nèi)的水平應力和豎直應力均成顯著增加的趨勢，特別是當?shù)貙由疃瘸^550 m后，會產(chǎn)生劇烈的礦壓波動增加現(xiàn)象，導致巷道圍巖受到極大的沖擊壓力，進而影響巷道圍巖的支護穩(wěn)定性。同時由于在井下進行機械化大采高綜采作業(yè)時，會進一步導致對巷道圍巖的沖擊作用，使采空區(qū)域巷道頂板的不穩(wěn)定性加劇，不可避免的會導致巷道圍巖的變形，因此煤礦井下巷道圍巖變形的主要原因在于井下礦壓波動和綜采擾動情況下導致巷道圍巖支護不穩(wěn)，需要通過一定的方案控制礦壓波動對巷道圍巖的影響或者加強支護結(jié)構(gòu)進行改善。

2 定向預裂成縫泄壓技術(shù)

由于井下巷道圍巖和巷道頂板的連續(xù)性，一旦發(fā)生礦壓波動，將直接傳遞給圍巖，引起圍巖的變形，因此降低礦壓波動影響的最好方案是對圍巖和頂板連接部分進行切割，阻斷礦壓波動傳遞的途徑。因此提出了定向預裂成縫泄壓技術(shù)方案[3]。將預裂縫的位置設(shè)置到巷道頂板和圍巖的交界處，其核心在于既要確保對頂板和圍巖的有效切割，而且還不能影響巷道頂板的完整性，避免產(chǎn)生更大范圍的垮塌，傳統(tǒng)的爆破工程方案極易出現(xiàn)爆破藥不足或者超標的情況，難以實現(xiàn)精確的爆破控制。

本文所提出的定向預裂成縫泄壓技術(shù)則是利用巷道圍巖的耐壓怕拉的特性，在爆破孔內(nèi)設(shè)置聚能爆破裝置，控制爆破時的爆破方向，使爆破沖擊波向著孔壁內(nèi)側(cè)產(chǎn)生均勻分布的壓力，從而實現(xiàn)對巖體的定向拉張爆破，聚能拉伸爆破模型結(jié)構(gòu)，如圖2所示[4]。

圖2 聚能爆破沖擊模型

聚能拉伸爆破在實施的過程中，通過聚能裝置的定向作業(yè)，在聚能爆破方向上形成一個初始的預裂縫，然后在聚能裝置充分釋放的爆裂沖擊力的作用下沿著預裂縫進行能量釋放，使裂紋沿著預裂縫充分的擴展，既能夠很好的控制預裂縫的走向，又能夠提升爆破縫的爆破深度，實現(xiàn)了充分預裂和確保 頂板完整性的統(tǒng)一。

以煤礦井下常見的10 m、12 m、14 m切頂高度為研究對象，對爆破方案進行研究，根據(jù)多次井下實際爆破驗證，確定了不同切頂高度情況下的聚能拉伸爆破時的爆破方案。當切頂高度為10 m時爆破孔的深度設(shè)置為10 m～12 m，間距為2.4 m，排距為3.8 m，每個爆破孔內(nèi)設(shè)置5組聚能爆破管，孔口的封裝長度為2.5 m。切頂高度為12 m時爆破孔的深度設(shè)置為12 m～14 m，間距為2 m，排距為3.5 m，每個爆破孔內(nèi)設(shè)置6組聚能爆破管，孔口的封裝長度為2.5 m。切頂高度為14m時爆破孔的深度設(shè)置為14 m～16 m，間距為1.8 m，排距為3 m，每個爆破孔內(nèi)設(shè)置7組聚能爆破管，孔口的封裝長度為2.5 m。

3 應用效果分析

對采用定向預裂成縫泄壓技術(shù)后的煤礦井下兩幫移近量情況進行監(jiān)測，監(jiān)測時分別選擇切頂高度為10 m，切頂高度為12 m，切頂高度為14 m情況下的狀態(tài)進行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同切頂高度情況下的兩幫移近量分析

由圖3可知，優(yōu)化后巷道兩幫的移近量隨著距離工作面長度的增加而逐漸增大，然后趨于穩(wěn)定，切頂高度越大兩幫的移近量就越小，當切頂高度為12 m和14 m的情況下距離工作面的長度超過80 m后兩幫的移近量基本趨于穩(wěn)定，最大變形量約為205 mm，比優(yōu)化前降低了72.1%。當切頂高度為10 m時，距離工作面的長度超過152 m后兩幫的移近量趨于穩(wěn)定，最大變形量約為247 mm，比優(yōu)化前降低了69.4%。由此可知，采用新的切頂卸壓方案后，能夠有效的降低井下地質(zhì)礦壓波動對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，可以在不改變現(xiàn)有支護條件下顯著提升巷道圍巖的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文提出的一種新的井下切頂卸壓圍巖支護方案，該方案以定向預裂成縫泄壓技術(shù)為核心，采用聚能爆破方案，實現(xiàn)了在不影響頂板穩(wěn)定性情況下對頂板和圍巖連接處的有效切割，根據(jù)實際應用表明：

1) 煤礦井下巷道圍巖變形的主要原因在于井下礦壓波動和綜采擾動情況下導致巷道圍巖支護不穩(wěn)，最好方案是對圍巖和頂板連接部分進行切割，阻斷礦壓波動傳遞的途徑，從而確保巷道圍巖的支護穩(wěn)定性。

2) 切頂卸壓圍巖支護方案，通過聚能裝置的定向作業(yè)，在聚能爆破方向上形成一個初始的預裂縫，既能夠很好的控制預裂縫的走向，又能夠提升爆破縫的爆破深度，實現(xiàn)了充分預裂和確保頂板完整性的統(tǒng)一。

3) 采用新的切頂卸壓方案，能夠?qū)⑾锏绹鷰r的兩幫變形量降低69.4%以上，實現(xiàn)在不改變現(xiàn)有支護條件下顯著提升巷道圍巖的穩(wěn)定性。