茹 磊

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 方山 033000）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)木瓜煤礦位于山西省呂梁市方山縣大武鎮(zhèn)木瓜村，9#煤層和10#煤層間距0.35～0.7 m，因此合并開采。合并后煤層總厚度為2.81～5.73 m，平均厚度4 m，煤層傾角為8°～14°，平均傾角8°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，全區(qū)可采。9#+10#煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 9#+10#煤層頂?shù)装鍘r性

9#+10#煤層厚度大，為減少相鄰工作面的回采擾動，原設(shè)計留設(shè)20 m 的區(qū)段煤柱，造成煤炭資源的巨大浪費。因此，提出對巷道頂板巖層進(jìn)行預(yù)裂爆破達(dá)到切頂卸壓的目的[1-4]，以減小區(qū)段煤柱尺寸。

2 方案設(shè)計

2.1 切頂參數(shù)設(shè)計

10-201 工作面回風(fēng)巷為矩形斷面，斷面尺寸為寬×高=5400 mm×4000 mm，巷道支護(hù)形式如圖1。頂錨桿選用規(guī)格為Ф20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1200 mm，頂錨索為Ф18.9 mm×5300 mm，間排距為2000 mm×2400 mm，幫錨桿選用規(guī)格為Ф20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為1200 mm×1200 mm。

圖1 原支護(hù)方案設(shè)計（mm）

9#+10#煤層上覆巖層均厚依次為2.5 m 的泥巖、2.57 m 的灰?guī)r、2.3 m 的泥巖和7.7 m 的灰?guī)r。上覆巖層中，2.57 m 的灰?guī)r和7.7 m 的灰?guī)r厚度較大，且硬度較大，完整性較好，當(dāng)工作面回采后，破斷、變形過程中對采場應(yīng)力影響較大，需采用預(yù)裂爆破的方式將其切斷。如果預(yù)裂爆破孔與豎直方向夾角太小，則回采巷道支護(hù)難度增大，頂板巖層有較大失穩(wěn)風(fēng)險；預(yù)裂爆破孔與豎直方向夾角太大時，要保證切斷最上方7.7 m 的灰?guī)r，需要更深的預(yù)裂爆破孔。參考臨近礦井切頂卸壓現(xiàn)場施工效果及本礦井施工條件，確定預(yù)裂爆破孔與豎直方向夾角為15°，深度為16 m，即可保證切斷最上方7.7 m 厚的灰?guī)r，回采巷道頂板巖層也不會很容易失穩(wěn)。從安全角度考慮，將原有長度為5300 mm 的錨索改為8300 mm 的錨索，并在預(yù)裂爆破孔一側(cè)多布置一根錨索，同時將巷道肩角位置錨桿改為垂直施工，最終切頂及支護(hù)方案如圖2。

圖2 切頂及支護(hù)參數(shù)示意圖

2.2 煤柱合理寬度

為確定煤柱的合理尺寸，借助FLAC3D模擬軟件，模擬對巷道頂板巖層進(jìn)行預(yù)裂爆破條件下，煤柱寬度分別為6 m、8 m、10 m、12 m 時巷道圍巖塑性范圍。煤層及頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)見表2，巷道圍巖塑性區(qū)模擬效果如圖3。

表2 煤層及頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)

如圖3 所示可知，當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為6 m 時，大部分煤柱均為塑性區(qū)，僅在煤柱上端及下端小范圍為彈性區(qū)，表明煤柱寬度為6 m 時，大部分煤柱均處于塑性狀態(tài)，支撐能力較差；當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為8 m 時，煤柱塑性區(qū)范圍有所降低，而彈性區(qū)范圍有所增大，彈性區(qū)面積占煤柱總面積的53.2%，雖然支撐能力較好，但是由于煤柱中心區(qū)域仍處于塑性狀態(tài)，存在較大的安全隱患；當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為10 m 時，煤柱塑性區(qū)面積進(jìn)一步減小，相應(yīng)的彈性區(qū)面積隨之增大，占到煤柱總面積的61.3%，且煤柱中心區(qū)域處于彈性狀態(tài)，此時煤柱支撐能力良好；當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為12 m 時，煤柱彈性區(qū)面積進(jìn)一步增大，占煤柱總面積的70.2%，塑性區(qū)面積僅占29.8%，此時煤柱支撐能力進(jìn)一步增強(qiáng)，但是隨著煤柱寬度的增大，煤炭資源浪費量也隨之增大。

圖3 不同煤柱寬度巷道圍巖塑性區(qū)范圍

綜上所述，區(qū)段煤柱寬度為10 m 時，煤柱支撐能力良好，已能夠滿足礦方安全生產(chǎn)要求，因此區(qū)段煤柱合理寬度設(shè)計為10 m。

3 工業(yè)性試驗

對10-201 工作面回風(fēng)巷采幫側(cè)頂板巖層進(jìn)行預(yù)裂爆破，按照前述設(shè)計參數(shù)，預(yù)裂爆破孔深16 m，與豎直方向夾角為15°。根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，預(yù)裂爆破孔間距為500 mm 時，預(yù)裂效果較好。為減少炸藥爆破時對巷道頂板巖層的擾動影響，將炸藥置于聚能管中，聚能管定向爆破原理如圖4。聚能管兩側(cè)有聚能槽，炸藥爆炸時爆轟波將沿聚能槽方向定向傳播，在切斷頂板巖層的同時，對巷道頂板其他范圍的巖層產(chǎn)生較小擾動，起到保護(hù)巷道頂板的效果。

圖4 聚能管定向爆破原理

按照前述設(shè)計，10-201 工作面與10-203 工作面之間留設(shè)寬度為10 m 的區(qū)段煤柱，每隔50 m 布置一個測站，用于監(jiān)測10-201 工作面回采過程中巷道圍巖變形量及錨桿受力變化情況，測點布置如圖5，現(xiàn)場監(jiān)測曲線如圖6。

圖5 現(xiàn)場測站布置圖

如圖6（a）所示，隨著10-201 工作面的推進(jìn)，10-203 運輸巷頂?shù)装逡平侩S之增大。在距離10-201 工作面50 m 范圍內(nèi)（超前10-201 工作面50 m及滯后10-201 工作面50 m，共100 m 范圍），巷道頂?shù)装逡平吭龃筝^快；在滯后10-201 工作面50～100 m 范圍內(nèi)時，巷道頂?shù)装逡平吭龇饾u減??；滯后10-201 工作面100 m 以后，巷道頂?shù)装逡平炕静辉侔l(fā)生變化。最終三個測站監(jiān)測得到的巷道頂?shù)装逡平孔畲笾捣謩e為70 mm、74 mm、69 mm。如圖6（b）所示，巷道兩幫移近量變化趨勢與頂?shù)装逡平孔兓厔莼鞠嘟?，同樣是在距離10-201 工作面50 m 范圍內(nèi)，巷道兩幫移近量增大較快；在滯后10-201 工作面50～100 m 范圍內(nèi)時，巷道兩幫移近量增大幅度逐漸放緩；滯后10-201 工作面100 m 以后，巷道兩幫基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。最終三個測站監(jiān)測得到的巷道兩幫移近量最大值分別為59 mm、84 mm、67 mm。如圖6（c）所示，在10-201 工作面回采過程中，10-203 運輸巷錨桿受力呈現(xiàn)實體煤幫側(cè)＞頂板＞煤柱側(cè)的特點，當(dāng)錨桿受力穩(wěn)定后，實體煤幫側(cè)、頂板及煤柱側(cè)錨桿受力分別為10 MPa、9.45 MPa 及8.65 MPa。結(jié)果表明，錨桿工作狀態(tài)良好，且對10-201 回風(fēng)巷頂板巖層進(jìn)行預(yù)裂爆破后，確實起到了卸壓的效果，煤柱側(cè)錨桿受力明顯較小。

圖6 現(xiàn)場監(jiān)測曲線

4 結(jié)論

針對9#+10#煤層合并開采采高大，區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸大，煤炭資源浪費嚴(yán)重的問題，提出對巷道頂板采用預(yù)裂爆破的方式進(jìn)行切頂卸壓，達(dá)到縮小煤柱尺寸的目的，確定預(yù)裂爆破孔深度為16 m，與豎直方向夾角為15°，區(qū)段煤柱合理尺寸為10 m，可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)要求。