劉乙霖，馬嘉偉

(1.晉能控股山西科學技術(shù)研究院有限公司 同大科技研究院，山西 大同 037000；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116)

目前我國對特厚煤層尚無明確的規(guī)定，一般認為煤厚超過8m屬于特厚煤層[1]，大同礦區(qū)開采煤層厚度為14～20m，屬于典型的特厚煤層開采礦區(qū)[2]。采用大采高綜放開采工藝回采特厚煤層，導致頂板活動加劇，礦壓顯現(xiàn)程度加大[3，4]。我國的學者對特厚煤層采動覆巖結(jié)構(gòu)變化及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律做了大量的研究，李化敏[5]通過實測特厚煤層大采高工作面“上位砌體梁-下位倒臺階組合懸臂梁”結(jié)構(gòu)模型得出，在支架工作阻力大于18000kN的情況下才能防止砌體梁結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)。劉金海[6]研究了深井特厚煤層綜放工作面支承壓力分布特征，結(jié)果顯示工作面超前支承壓力影響范圍約為采高的5倍，走向支承壓力峰值位置到煤壁的距離約為采高的2.5倍，遠大于一般工作面的支承壓力影響范圍。

除特厚煤層開采帶來的大采高問題研究，大同礦區(qū)還以厚堅硬頂板礦壓治理而著名[7-9]。厚堅硬頂板在煤層開采之后無法及時垮落，對臨空巷道煤柱形成巨大的載荷，而使其變形嚴重，加上裸露較長距離的頂板發(fā)生垮落，造成強礦壓顯現(xiàn)，煤層安全開采存在巨大威脅[10-13]。

由強礦壓顯現(xiàn)誘發(fā)的大變形破壞，與井下工程所處的應力場環(huán)境密切相關(guān)因此，必須從改善圍巖運移規(guī)律入手，通過對覆巖卸壓轉(zhuǎn)移，改善圍巖應力場環(huán)境?，F(xiàn)有的切頂方式主要爆破切頂和水壓致裂切頂兩種，近年來關(guān)于爆破切頂?shù)默F(xiàn)場應用實例逐年遞增[14-16]，爆破卸壓有施工成本低、施工設備簡單、適合堅硬巖層、可定向等優(yōu)點而被廣泛應用。馬道頭煤礦屬于典型的大同礦區(qū)特厚煤層堅硬頂板條件，二者相疊加導致回采巷道變形嚴重，影響生產(chǎn)。因此，以馬道頭煤礦5210工作面為工程背景，對正在進行回采的8210工作面進行定向爆破切頂卸壓，探究其卸壓過程及效果。

1 工程背景概況

馬道頭煤礦是大同煤炭集團的主力生產(chǎn)礦井之一，礦井現(xiàn)開采5(3-5)#煤層，采用綜放開采，采放比為1：2.5，全部垮落法管理頂板的方式進行回采。8209工作面北側(cè)為正在進行回采的8210工作面，南側(cè)為己回采結(jié)束的8208工作面的采空區(qū)，西側(cè)為盤區(qū)大巷，8209工作面相對位置如圖1所示。區(qū)內(nèi)煤層傾角1°～7°，平均2.5°，區(qū)內(nèi)煤層屬于5#煤層與3#煤層出現(xiàn)復合煤層，平均厚度達15m，煤層埋深約450m，基本頂為巖砂厚13m，屬于典型的大采高厚堅硬頂板條件，直接底為碳質(zhì)泥巖，煤層頂?shù)装鍘r性分布及厚度如圖2所示。

圖1 8209回風巷相對位置關(guān)系

圖2 (3-5)#煤層頂?shù)装鍘r性分布

研究巷道5209工作面回風巷為矩形斷面，斷面規(guī)格寬×高=5m×3.9m，巷道采用“角錨索+鋼帶+鋼梁+單體錨索+梯級錨固束錨索”的支護形式，支護參數(shù)為如圖3所示。盡管巷道采用高強度錨桿錨索進行支護，巷道在相鄰工作面回采以及本工作面回采時出現(xiàn)了較大的變形破壞，煤柱和煤壁幫分別向巷道內(nèi)凸出約450mm和390mm，巷道出現(xiàn)不對稱破壞現(xiàn)象、頂板下沉嚴重，W鋼帶破壞等現(xiàn)象。

圖3 5209回風巷支護(mm)

2 爆破切頂卸壓作用機理

如圖4所示，在工作面傾向，堅硬基本頂在煤壁側(cè)發(fā)生斷裂，形成塊體A與塊體B，塊體B一段搭在煤柱上方，另一端由于煤層開采后形成空間而不斷旋轉(zhuǎn)下沉，可以看出煤柱承載的重量有三個方面，分別是：①上方直接頂?shù)闹亓浚谡麄€塊體B的重量，以及伴隨著基本頂斷裂整個巖層組的重量，③塊體B巖層組回轉(zhuǎn)下沉對煤柱形成擠壓作用，導致其變形嚴重，其中后兩個作用影響巨大。

圖4 大采高堅硬頂板爆破卸壓基本頂斷裂結(jié)構(gòu)

如果在煤柱靠近采空區(qū)側(cè)進行爆破切頂，使得塊體B沿著預設的切頂位置斷裂，B塊體斷裂后分為B1和B2兩部分，其中B1的長度取決于巷道和煤柱的寬度，B1則由煤壁和巷道頂板巖層共同支撐，減輕煤柱的應力集中；而B2則滑落失穩(wěn)，如圖5中綠色塊體所示，既可以減輕煤柱承載的基本頂重量，又由于塊體未發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉，對煤柱的擠壓作用也就不存在了，大大減少了煤柱所受載荷。

未切頂時基本頂破斷前后的邊界支撐變化如圖5所示，基本頂初次破斷前，基本頂為四周固支的一個板，而發(fā)生初次破斷后，其在采空區(qū)形成簡支梁，支撐條件變?yōu)槿吂讨?，一邊簡支[14-17]。未預裂爆破切頂時，基本頂初次破斷距為和周期破斷距分別為式(1)與式(2)[17，18]。

式中，μ為巖石的泊松比；q為巖石的自重及上覆巖層的重量，kN/m3；λ1，2，3為采空區(qū)幾何形狀系數(shù)，圖5、圖6中所示情況，λ1=λ2=λ3，h為基本頂巖層厚度，σs為基本頂巖層抗拉強度。

圖5 未切頂時基本頂?shù)倪吔缰螚l件

而實施爆破切頂時，基本頂破斷前后的邊界支撐變化如圖6所示，基本頂未發(fā)生初次破斷前，由于一邊被爆破切頂，故其為三邊固支，一邊簡支的支撐結(jié)構(gòu)，其初次破斷距離表達式為式(2)，在初次破斷后，基本頂支撐結(jié)構(gòu)變?yōu)閮蛇吅喼В瑑蛇吂讨У慕Y(jié)構(gòu)，其周期破斷距離為式(3)。

圖6 切頂時基本頂?shù)倪吔缰螚l件

開采邊界變化對斷裂步據(jù)的影響表現(xiàn)為隨著固支邊的增加而減小，即a1>a2>a3，故爆破切頂卸壓減小了基本頂?shù)某醮魏椭芷趤韷翰骄?，也進一步抑制了礦壓顯現(xiàn)。

3 爆破切頂卸壓數(shù)值模擬分析

前面對爆破切頂卸壓的原理做了初步的推斷，接下來通過數(shù)值模擬計算來分析爆破切頂卸壓的效果。模擬過程為：模型建立—模型平衡—掘進上工作面運輸巷和本工作面回風巷并計算至平衡—拆除上工作面巷道錨桿錨索—開挖步據(jù)為10m，后退式開采至煤柱旁。

3.1 模型建立

3.1.1 模型尺寸

根據(jù)馬道頭煤礦工程地質(zhì)條件，建立模型寬×高=270m×153m，由于巖土類材料的抗拉強度遠不及其抗壓強度，因此，可變形塊體材料采用了考慮抗拉強度的Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，即當塊體承受的拉應力超過其抗拉強度時，塊體發(fā)生拉破壞，本模型采用面接觸庫倫滑移模型，面接觸庫侖滑移模型最適于地下工程巖體的開挖模擬，通常的節(jié)理張開、剪切屈服及剪脹效應在此模型中都能實現(xiàn)。在模型上表面施加均布載荷，形成應力邊界條件；左、右和下表面均為零位移邊界條件。

3.1.2 煤巖力學參數(shù)

塊體的煤巖力學參數(shù)見表1。

表1 塊體煤巖力學參數(shù)

節(jié)理面的剛度參數(shù)來由式(4)求得，見表2：

表2 節(jié)理面煤巖力學參數(shù)

式中，Kn為節(jié)理面的法向剛度，GPa；n為系數(shù)，根據(jù)計算過程，不斷調(diào)整其值的大小，一般取10；K為塊體的體積模量；G為塊體的剪切模量；ΔZmin是毗鄰節(jié)理單元在法線方向上的最小寬度，取zone的最小邊長即可(通常取gen edge后的數(shù)值)。

3.2 模擬結(jié)果分析

考慮到現(xiàn)場實際情況，依據(jù)不同的切頂角度共進行了6組模擬，分別是：未切頂、切頂30°、切頂45°、切頂60°、切頂75°、切頂90°。從覆巖的垮落形態(tài)和煤柱應力大小兩個方面來分析模擬的結(jié)果，為后續(xù)現(xiàn)場切頂應用提供理論依據(jù)。

3.2.1 覆巖垮落形態(tài)分析

不同切頂角度下覆巖垮落形態(tài)的模擬如圖7所示。由圖7可以看出，對比切頂狀態(tài)，未切頂時巷道煤柱幫的變形更大，且巷道變形呈現(xiàn)不對稱形，即煤柱幫變形大于實體煤幫。

圖7 不同切頂角度覆巖的垮落形態(tài)

對不同切頂角度下覆巖的破斷垮落程度，可以看出隨著切頂角度的增大，基本頂破斷垮落的效果越好，在切頂角度為60°時，基本頂在切頂?shù)奈恢冒l(fā)生破斷，垮落較充分，且巷道煤柱幫變形量較小。而切頂角度為90°時，切頂效果較差，故切頂角度選擇60°。

3.2.2 煤柱應力分析

由圖8分析不同切頂角度對煤柱所受應力大小的影響可得，未切頂、切頂30°、切頂45°、切頂60°、切頂75°、切頂90°時，煤柱的應力集中系數(shù)為分別為1.87、1.85、1.73、1.52、1.70、1.80，顯然切頂角度為60°時煤柱應力較小，其應力峰值為16.3MPa，而未切頂時煤柱的應力峰值為21.1MPa，減小了22.7%。綜上，切頂角度為60°時，切頂效果較好，現(xiàn)場爆破切頂仰角選擇60°。

圖8 不同切頂角度煤柱應力變化規(guī)律

4 爆破切頂卸壓的工業(yè)性試驗

4.1 爆破參數(shù)設計

炮孔深度與封孔長度：根據(jù)數(shù)值模擬確定的切頂角度為60°，自巷道上方至基本頂巖層頂部垂高為31m，故確定鉆孔總長度為35.8m，裝藥段長度為19.6m，封孔段長度要求大于炮孔長度的1/3，為16.2m，如圖9所示。

圖9 爆破切頂鉆孔布置

其他爆破切頂參數(shù)設計見表3。

表3 切頂爆破炮孔布置參數(shù)

4.2 爆炸切頂設計方案與現(xiàn)場施工

現(xiàn)場采用聚能管裝藥，單孔裝藥量定為19kg，需用10根聚能管，每根聚能管長度2m，孔內(nèi)裝藥長度19.6m，裝藥流程如圖10所示。使用炮泥進行封堵，封堵長度為16.2m，需要搗實炮泥，本次爆破一次起爆5個鉆孔，5個鉆孔裝藥封堵完成之后，人員撤離到安全地點，實行長距離起爆。

圖10 爆破切頂施工裝藥流程

4.3 爆破切頂卸壓效果分析

4.3.1 爆破鉆孔窺視分析

為了實測鉆孔爆破后，爆破孔和導向孔及其圍巖的裂紋發(fā)育情況，判斷爆破的作用效果，采用的儀器為YTJ-20型巖層探測記錄儀。 鉆孔窺視位置根據(jù)爆破孔的位置和現(xiàn)場的實際條件，測孔位置設在8010運輸巷爆破區(qū)域，觀測2個爆破孔(1#、3#)和2個導向孔(2#、4#)，共4個孔，角度均垂直于巷道表面，幫部的鉆孔角度仰60度，孔深35.8m。

通過對2個導向孔和2個爆破孔的窺視的圖像分析，可知實施爆破切頂卸壓后的鉆孔呈現(xiàn)出以下規(guī)律：①爆破孔沿著孔內(nèi)聚能管聚能槽方向產(chǎn)生了裂紋，并且要切割的走向切縫方向一致；②導向孔也產(chǎn)生了明顯的裂紋，和與切割的走向切縫方向一致。

由①、②可得，此次切頂卸壓爆破取得了較好的作用效果，起到定向切割裂紋爆破的效果。

4.3.2 巷道變形監(jiān)測效果分析

實施切頂卸壓后，在5209回風巷進行了巷道表面位移觀測，觀測內(nèi)容主要包括頂板下沉變形、底板鼓起變形、幫部巷內(nèi)移近變形和墻體巷內(nèi)移近變形，共布設3個測點，相鄰兩測點的間距為80m，超前工作面80m布置1#測站的測點，布設后立即進行監(jiān)測記錄，并在記錄表中填明監(jiān)測時間及測站至采煤工作面煤壁的距離，觀測結(jié)果如圖11所示。

圖11 切頂卸壓后5209回風巷變形監(jiān)測

結(jié)果顯示，在采取爆破切頂卸壓后，巷道圍巖變形量大幅減少，頂板變形量逐漸穩(wěn)定在123.1mm，煤柱和煤壁側(cè)變形量分別為172.1mm、112.5mm，總體變形量較小，巷道完整性較好，爆破切頂卸壓效果顯著。

5 結(jié) 論

1)理論分析了巷道爆破切頂卸壓的工作原理是通過對煤柱側(cè)未垮落基本頂巖層進行爆破切頂，使其及時垮落，減小煤柱載荷和基本頂巖層因為旋轉(zhuǎn)下沉而對煤柱的載荷。

2)數(shù)值模擬得出，爆破切頂卸壓的最佳切頂角度為60°，在爆破切頂卸壓后，應力峰值降低至16.3MPa，而未切頂時煤柱的應力峰值為21.1MPa，減小了22.7%。

3)在馬道頭煤礦8210運輸巷對基本頂巖層進行爆破切頂，鉆孔窺視結(jié)果顯示爆破產(chǎn)生的裂紋與預期的一致；在5209回風巷進行了巷道表面位移觀測頂板變形量逐漸穩(wěn)定在123.1mm，煤柱和煤壁側(cè)變形量分別為172.1mm、112.5mm，總體變形量較小。