高士超

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司煤峪口礦，山西 大同 037003）

厚煤層沿空留巷技術(shù)是現(xiàn)階段厚煤層開采方式的重要組成部分，在進(jìn)行沿空留巷技術(shù)應(yīng)用過程中，由于巷道頂板堅(jiān)硬難垮使得巷道圍巖變形嚴(yán)重，所以對(duì)沿空留巷頂板進(jìn)行切頂十分重要[1-2]。通過對(duì)巷道頂板進(jìn)行超前預(yù)裂，縮短懸臂梁長(zhǎng)度，降低巷道上覆巖層的載荷，從而達(dá)到保護(hù)巷道的目的[3-4]。在不同地質(zhì)條件下爆破切頂?shù)膮?shù)及方案有所不同，以煤峪口礦為研究背景，通過數(shù)值模擬對(duì)切頂參數(shù)進(jìn)行研究，并通過工業(yè)化試驗(yàn)驗(yàn)證了爆破切頂卸壓方案的可行性，為礦井安全開采做出一定的貢獻(xiàn)。

1 概況

煤峪口礦位于大同煤田東南翼的東北端，2603工作面煤層賦存穩(wěn)定，煤厚7.4～8.9 m，平均厚8.1 m，采用放頂煤開采，頂煤厚4.5～6.0 m，平均厚5.25 m。工作面切巷因基底不平造成局部煤層變薄，最薄全煤厚為7.4 m。煤層走向近似SN，傾向近似SE，煤層傾角1°～3°，平均為2°。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

2 數(shù)值模擬研究

聚能爆破切頂卸壓技術(shù)，是在頂板進(jìn)行定距離鉆孔布設(shè)，在鉆孔內(nèi)部布置炸藥，并進(jìn)行封孔，由于爆破瞬間聚集大量能量，遠(yuǎn)超過鉆孔壁的抗拉強(qiáng)度，此時(shí)鉆孔出現(xiàn)定向裂縫，隨著爆破能的擴(kuò)展，裂縫逐步擴(kuò)展，使得巷道頂板整體性減弱，完成切頂卸壓的目的。

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同爆破切頂參數(shù)下切頂效果進(jìn)行分析，進(jìn)行模型的建立，本文選定3DEC軟件進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料建立模型長(zhǎng)寬高為240 m×50 m×66 m。工作面回采距離設(shè)定為120 m，回風(fēng)順槽尺寸為5.2 m×3.5 m，沿空掘巷尺寸5 m×3.5 m。在模型的四周施加水平約束邊界，在模型的下部施加垂直方向約束，根據(jù)容重及埋深在模型的上端施加10.2 MPa 的垂直應(yīng)力。完成模型建立后對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，首先對(duì)不同切頂角度下巷道切頂效果進(jìn)行分析，切頂角度選定為0°、5°、10°、15°，沿著Y 方向進(jìn)行開挖，共挖10 步，每步5 m。不同切頂角度下巷道圍巖應(yīng)力分布云圖及煤柱垂直應(yīng)力分布圖如圖1，本文僅展示切頂角度10°時(shí)的應(yīng)力云圖。

從圖1 中可以看出，隨著切頂角度增大，實(shí)體煤柱內(nèi)部的應(yīng)力集中范圍及現(xiàn)象均存在一定差異。當(dāng)切頂角度為0°和5°時(shí)，由于切縫之間存在一定的摩擦阻力，致使切頂在水平方向形成鉸接，無法整體發(fā)生垮落。此時(shí)在煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中范圍及應(yīng)力集中程度均較大。當(dāng)切頂角度為10°時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力集中范圍及應(yīng)力集中程度均有明顯的減弱，垂直應(yīng)力峰值從25.69 MPa 降至23.63 MPa，降低了約2 MPa。由此可知，當(dāng)切頂角度為10°時(shí)，能夠有效切斷煤體與采空區(qū)頂板的連接，降低煤柱應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)切頂角度為15°時(shí)，煤柱體內(nèi)應(yīng)力集中范圍及集中程度雖有一定降低，但其降低幅度并不明顯。所以當(dāng)切頂角度為10°時(shí)，巖層垮落效果較好，切頂效果明顯，所以最優(yōu)切頂角度為10°。

3 工業(yè)化試驗(yàn)

對(duì)2601 工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行爆破切頂，聚能裝置選擇為PVC 管，對(duì)切頂參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、模擬結(jié)構(gòu)選定炮孔與工作面豎直方向夾角為10°，開孔位置位于西幫1 m 位置。裝藥長(zhǎng)度根據(jù)頂板的巖性設(shè)定為10 m，鉆孔封孔長(zhǎng)度為10 m，在每個(gè)鉆孔內(nèi)布置5 個(gè)PVC 聚能管，每根聚能管間安裝雷管。炸藥采用三級(jí)乳化炸藥，炸藥尺寸為Ф35 mm×200 mm。為了確保切頂效果達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，在進(jìn)行切頂時(shí)設(shè)計(jì)兩組預(yù)爆鉆孔，每組布置兩個(gè)鉆孔，鉆孔間距為2 m，兩組爆破孔間距為6 m，具體施工布置圖如圖2。

圖2 具體施工布置圖（m）

在2601 工作面回風(fēng)順槽的炮孔布置形式采用一字型炮眼，起爆方式采用正向起爆方式，將炸藥裝入爆破聚能裝置中，然后再將聚能爆破裝置放入鉆孔內(nèi)。在放置聚能爆破裝置時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保裝置起爆線在同一直線上，確保整體起爆效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為了避免出現(xiàn)拒爆和啞炮的情況，在爆破時(shí)通過安裝導(dǎo)爆索進(jìn)行引爆，同時(shí)每個(gè)爆破孔的雷管通過并聯(lián)方式進(jìn)行連接，相鄰的爆破孔之間選擇串聯(lián)方式，保證各炮孔之間的同步起爆。

對(duì)頂板預(yù)裂爆破效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在距離爆破孔約500 mm 的位置施工窺視孔，通過鉆孔窺視儀對(duì)爆破后頂板裂縫的擴(kuò)展情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？咨?1.3 m及16.5 m 時(shí)定向爆破切頂效果窺視圖如圖3。

圖3 定向爆破切頂效果窺視圖

從圖3 中可以看出，當(dāng)鉆孔深度小于11.3 m 時(shí)，在鉆孔兩側(cè)基本無裂縫產(chǎn)生，此時(shí)的孔壁幾乎完整；當(dāng)鉆孔深度11.3 m 時(shí)，在鉆孔內(nèi)部有微裂隙產(chǎn)生，裂隙呈現(xiàn)對(duì)稱分布特征，但裂縫的深度及擴(kuò)展性較小；當(dāng)鉆孔深度16.5 m 時(shí)，裂縫發(fā)育十分明顯，裂縫寬度較鉆孔深度11.3 m 時(shí)有了較大幅度的提升，同時(shí)在鉆孔兩側(cè)裂縫形成貫通，裂隙呈現(xiàn)對(duì)稱分布，此時(shí)巖石的完整性遭到破壞，切頂效果較為成功。

對(duì)爆破切頂卸壓后巷道圍巖的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在巷道的頂?shù)装寮皟蓭偷奈恢貌贾? 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)頂?shù)装寮皟蓭鸵平?。選定試驗(yàn)段長(zhǎng)度為400 m，監(jiān)測(cè)2603 工作面回風(fēng)順槽的圍巖變形情況。巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平壳€如圖4。

圖4 巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平壳€

從圖4 中可以看出，受到工作面超前支承壓力影響，在距工作面60 m 距離的測(cè)點(diǎn)巷道圍巖變形初次開始顯現(xiàn)，當(dāng)距離工作面30～40 m 位置時(shí)，巷道的變形速率增大速度較為明顯，巷道變形較為劇烈；當(dāng)工作面推進(jìn)至測(cè)點(diǎn)后5～10 m 的位置時(shí)，巷道變形速率明顯減小，整體巷道的變形逐步趨于穩(wěn)定。在巷道達(dá)到穩(wěn)定后，2 個(gè)測(cè)站頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平繛?15 mm，兩幫最大變形量為545 mm，此時(shí)巷道的頂板、底板、兩幫的變形量均在控制允許的范圍內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖變量監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，經(jīng)過施加預(yù)裂爆破切頂技術(shù)后，巷道圍巖的變形得到有效控制，變形在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)不同鉆孔角度下強(qiáng)制爆破斷頂后巷道應(yīng)力分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)切頂角度為10°時(shí)，巖層垮落效果較好，切頂效果明顯，確定最優(yōu)切頂角度為10°。

（2）對(duì)切頂效果進(jìn)行鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)， 11.3 m處的孔內(nèi)部有微裂隙產(chǎn)生，但裂縫的深度及擴(kuò)展性較??；當(dāng)16.5 m 時(shí)，孔內(nèi)部裂縫完全貫通。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖變量監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，經(jīng)過預(yù)裂爆破切頂后，巷道的圍巖變形得到有效控制，變形均在合理范圍內(nèi)。