王全宏

（山西國辰建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

新元煤礦3412 工作面位于二采區(qū)南部，工作面平均埋深為500 m。工作面北鄰3413 工作面，東部為東翼回風(fēng)大巷和東翼主運(yùn)大巷，西部為采區(qū)邊界煤柱，南部為3411 采空區(qū)。3214 工作面傾向長200 m，工作面開采3#煤層，煤層厚度2.1～2.55 m，均厚為2.35 m，平均傾角為7°。煤層直接頂為砂巖泥巖，平均厚度為8.0 m，基本頂為中砂巖，均厚為2.4 m，底板巖層為中細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖。工作面回風(fēng)順槽長度為1890 m，為沿空留巷巷道，巷道寬度×高度=4800 mm×3000 mm，充填體為高水充填材料，充填材料強(qiáng)度為10 MPa，充填寬度為2 m。3412 工作面平面位置示意圖如圖1。由于3412 工作面存在厚層頂板，為保障沿空留巷作業(yè)的順利實(shí)施，減少頂板破斷對(duì)留巷圍巖的動(dòng)載作用，需進(jìn)行切頂卸壓技術(shù)研究。

圖1 3412 工作面平面位置示意圖

2 切頂卸壓理論分析

2.1 切頂卸壓原理

當(dāng)頂板巖層為堅(jiān)硬巖層時(shí)，隨著工作面回采作業(yè)的推進(jìn)，頂板懸露的長度會(huì)不斷增大，當(dāng)頂板懸露長度達(dá)到垮落極限時(shí)，大面積懸頂?shù)膸r層會(huì)發(fā)生突然斷裂現(xiàn)象，巖層的突然斷裂會(huì)產(chǎn)生沖擊荷載，其會(huì)作用到巷道圍巖上，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)沖擊性的破壞，這會(huì)嚴(yán)重影響工作面的安全開采和巷道圍巖的穩(wěn)定。沿空留巷作業(yè)時(shí)，當(dāng)堅(jiān)硬頂板在采空側(cè)難以及時(shí)垮落時(shí)，采空區(qū)出現(xiàn)大面積懸頂現(xiàn)象。隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，頂板巖層逐漸回轉(zhuǎn)下沉，其產(chǎn)生的垂直應(yīng)力和水平推力會(huì)全部作用到巷道圍巖和充填體上[1-2]。具體頂板巖層未預(yù)裂時(shí)的圍巖結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 頂板巖層未預(yù)裂時(shí)圍巖結(jié)構(gòu)示意圖

從圖2 中能夠看出，當(dāng)堅(jiān)硬頂板巖層未采用預(yù)裂技術(shù)時(shí)，上覆巖層會(huì)在煤柱的上方出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，頂板巖層發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，且斷裂后巖層的運(yùn)動(dòng)下沉的主動(dòng)力和沖擊性較大，頂板巖層一旦發(fā)生斷裂便會(huì)快速落向采空區(qū)，會(huì)對(duì)巷道圍巖及充填體造成嚴(yán)重的沖擊。

當(dāng)頂板采用爆破切頂技術(shù)后，頂板結(jié)構(gòu)如圖3。隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，堅(jiān)硬頂板在充填體支護(hù)阻力和采動(dòng)應(yīng)力的影響下會(huì)沿著切頂線出現(xiàn)斷裂，有效減小頂板的懸露長度，降低頂板巖層作用在巷道圍巖及充填體上的壓力，保障巷道圍巖的穩(wěn)定，緩解應(yīng)力集中的問題[3-4]。另一方面，隨著堅(jiān)硬頂板巖層切頂，頂板巖層垮落后，其產(chǎn)生的矸石會(huì)在采空區(qū)側(cè)不斷堆積，能夠?qū)敯逍纬梢欢ǖ闹巫饔?，能夠減緩頂板回轉(zhuǎn)變形對(duì)充填體的擠壓作用。

圖3 頂板預(yù)裂后圍巖結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 聚能爆破機(jī)理

聚能爆破主要通過改變爆轟產(chǎn)物和應(yīng)力波的作用路徑，以實(shí)現(xiàn)能量在特定方向上的集中匯聚，達(dá)到使裂隙定向擴(kuò)展的目的。在炸藥的兩側(cè)安裝聚能罩，通過聚能罩使得爆炸后的能量向著特定的方向匯聚，進(jìn)而在特定方向上形成高能射流，其作用到巖石單元上便能夠形成定向裂隙。

聚能爆破主要分為炸藥起爆、聚能罩變形、射流形成和射流侵蝕四個(gè)過程。聚能炸藥在炮孔爆炸后，聚能罩會(huì)在爆轟物的作用下產(chǎn)生變形并逐漸向軸線方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其在軸線對(duì)稱面上積聚能量時(shí)，沿著炮孔徑向作用和炮孔孔壁特定位置會(huì)形成初始導(dǎo)向宏觀裂縫，如圖4。

圖4 聚能罩裝藥結(jié)構(gòu)及壓垮結(jié)構(gòu)示意圖

聚能爆破作用會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生強(qiáng)度較高的具有沖擊作用的高壓爆轟氣體，當(dāng)巨大的沖擊波傳播至巖體中時(shí)，巖體的破壞呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)特征。根據(jù)巖體破碎程度的不同，可將爆破誘導(dǎo)區(qū)劃分為破碎帶、II-斷裂帶和III-彈性振動(dòng)區(qū)[5-6]。

3 頂板切頂卸壓技術(shù)

3.1 頂板切頂卸壓方案

根據(jù)堅(jiān)硬頂板切頂卸壓原理及聚能爆破機(jī)理的分析結(jié)果，結(jié)合3412 工作面具體的地質(zhì)條件具體進(jìn)行切頂卸壓方案設(shè)計(jì)。切頂卸壓方案中主要參數(shù)包括爆破鉆孔布置、爆破材料和爆破方案，具體參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

（1）爆破鉆孔布置。3412 回風(fēng)順槽內(nèi)爆破鉆孔孔徑為48 mm，聚能管外徑為40 mm，壁厚為1.8 mm，爆破孔的深度為6 m，鉆孔間距為1.2 m，鉆孔封孔長度為2 m，裝藥長度為4 m，鉆孔在距充填體幫0.5 m 的位置處打設(shè)，鉆孔與頂板成70°布置。聚能爆破鉆孔布置剖面圖如圖5。

圖5 聚能爆破鉆孔布置剖面圖（mm）

（2）爆破材料。爆破采用聚能藥包裝置，該裝置中包含炸藥和聚能管，炸藥直徑為38 mm，聚能管的長度為每段1.6 m，管壁厚度為1.8 mm。使用時(shí)在聚能管兩側(cè)打設(shè)180°的對(duì)穿孔，對(duì)穿孔孔徑為5 mm，間距為10 mm，如圖6。炸藥采用三級(jí)乳化炸藥，藥卷直徑為35 mm，長度為200 mm。

圖6 聚能管結(jié)構(gòu)示意圖

（3）爆破方案。為保障聚能爆破后頂板巖層會(huì)沿著爆破產(chǎn)生的裂隙破斷，同時(shí)為不影響工作面安全生產(chǎn)，在采用超前預(yù)裂爆破方案時(shí)，根據(jù)工作面初次來壓和周期來壓步距，在工作面回采作業(yè)前，在距工作面開切眼15 m 的位置處進(jìn)行一次聚能爆破作業(yè)，在工作面初次來壓后，頂板巖層便會(huì)沿著爆破產(chǎn)生的裂隙破斷，在工作面周期來壓期間，每間隔12 m 進(jìn)行一次聚能爆破作業(yè)，以此保障頂板周期來壓破斷時(shí)不影響工作面的安全回采。

3.2 效果分析

（1）巷道圍巖變形量。3412 回風(fēng)順槽內(nèi)布置巷道表面位移監(jiān)測站，監(jiān)測站布置在超前工作面的200 m 位置處，采用十字布點(diǎn)法分別對(duì)留巷圍巖采用聚能爆破前后的圍巖變形量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果能夠得出圍巖變形曲線如圖7。

圖7 聚能爆破前后留巷圍巖變形曲線圖

分析圖7 可知，未采用聚能爆破時(shí)，在工作面后方，圍巖變形量隨著距工作面距離的增加而逐漸減小，在工作面后方200～500 m 時(shí)，圍巖變形速率隨著與工作面距離減小的降幅較為緩慢，在工作面后方0～100 m 時(shí)，圍巖變形量降幅較為顯著，巷道圍巖變形量的最大值約在滯后工作面500 m，頂板下沉量和兩幫移近量的最大值分別為309 mm 和702 mm。當(dāng)留巷聚能爆破方案應(yīng)用后，巷道頂板最大下沉量和兩幫最大移近量均大幅降低。爆破方案應(yīng)用后頂板下沉量和兩幫移近量的最大值分別為169 mm 和450 mm，降幅分別為62.4%和35.8%，表明頂板切頂卸壓后，有效地控制了圍巖的變形量，保持了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

（2）充填體受力分析

3412 回風(fēng)順槽聚能爆破切頂方案應(yīng)用后，通過在充填底部與煤層底板間設(shè)置液壓枕的方式進(jìn)行充填體的受力分析，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)得出充填體的受力特征如圖8。

圖8 充填體受力特征示意圖

分析圖8 可知，充填體在滯后工作面0～20 m 時(shí)，采動(dòng)影響下頂板巖層逐漸回轉(zhuǎn)下沉，對(duì)充填體形成一定的擠壓作用，使得充填體內(nèi)應(yīng)力明顯增大。隨后，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，在頂板巖層壓力作用下，充填體的荷載明顯增大。充填體在滯后工作面50 m 的位置處，受力達(dá)到最大值為5.3 MPa。當(dāng)充填體滯后工作面75 m 后，頂板運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，充填體的荷載穩(wěn)定在3.6 MPa 左右，充填體受力始終處于其極限抗壓強(qiáng)度內(nèi)，表明聚能爆破后沿空留巷期間充填體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

根據(jù)3412 工作面回風(fēng)順槽沿空留巷的具體特征，通過分析切頂卸壓的原理及聚能爆破機(jī)理，結(jié)合留巷參數(shù)，設(shè)計(jì)聚能爆破鉆孔布置參數(shù)、爆破材料及爆破方案。根據(jù)沿空留巷聚能爆破方案應(yīng)用后的效果分析可知，巷道切頂后控制了留巷圍巖變形，保障了充填體的穩(wěn)定。