康志軍

（山西焦煤汾西礦業(yè)曙光煤礦，山西 孝義 032300）

0 引言

隨著綜采工作面不斷推進以及采空區(qū)頂板不斷垮落，采面前方形成的超前支承壓力隨著采面推進不斷前移，當開采煤層頂板為堅硬巖層時，采空區(qū)懸空面積大、不容易垮落，導致采動壓力集成程度較高且影響范圍較大[1-3]。綜采工作面末采期間，采面推進速度有所降低，開采動壓會直接影響采面回采巷道、采區(qū)集中巷道等穩(wěn)定性，在動壓影響下巷道容易出現(xiàn)變形量大、支護體系失效等問題，給末采工作安全高效推進帶來影響[4-5]。山西某礦13302 綜采工作面回采的3 號煤層埋深超過620 m，同時煤層頂板堅硬，采面開采引起采動壓力顯現(xiàn)明顯，導致采面回采巷道及采區(qū)集中巷道出現(xiàn)圍巖變形問題。為此，提出在13302 綜采工作面末采期間采用切頂方式實現(xiàn)煤層頂板及時垮落，降低采動壓力給巷道影響。

1 13302 綜采工作面概況

13302 綜采工作面位于13 采區(qū)，采面上覆為已回采完畢的2 號煤層11203 綜采工作面采空區(qū)，采面開采的3 號煤層底板標高+570～+600 m，對應地表標高+1150～+1205 m。13302 綜采工作面設計切眼長度160 m，推進長度1350 m，回采范圍內3 號煤層厚度均值5.5 m、傾角5°～12°，局部區(qū)域煤層含有2～4 層泥巖夾矸，夾矸厚度0.8～1.3 m。根據(jù)已有地質資料顯示，13302 綜采工作面停采線位置3 號煤層直接頂為厚度4.3 m的粉砂巖及泥巖互層，基本頂中粗砂巖及砂質泥巖互層，厚度16.14 m；煤層底板為泥巖，厚度5.3 m。具體13302 綜采工作面布置情況如圖1 所示，采面停采線與采區(qū)回風大巷間有60 m距離。由于3 號煤層頂板堅硬且采面開采引起采動壓力顯現(xiàn)明顯，為降低13302 綜采工作面末采期間礦壓顯現(xiàn)給采區(qū)巷道及回采巷道影響，提出采用爆破切頂技術對頂板進行弱化。

圖1 采面位置示意圖

2 切頂技術應用

2.1 技術原理

綜采工作面末采切頂卸壓是在采面推進至停采線前，在回采巷道內施工平行于切眼的爆破預裂切頂鉆孔，對煤層堅硬頂板進行弱化。在爆破切頂鉆孔作用下增加煤層頂板裂隙發(fā)育程度，降低頂板完整性，并使得不容易垮落頂板轉變成容易垮落頂板。采空區(qū)頂板及時垮落可減少懸空面積，進而降低采面礦壓顯現(xiàn)以及對采區(qū)巷道、回采巷道影響，避免巷道在采動壓力作用下出現(xiàn)大變形問題[6-9]。

2.2 切頂方案設計

2.2.1 鉆孔布置

結合13302 綜采工作面停采線位置煤層頂板巖性情況，布置的切頂鉆孔應能切斷3 號煤層直接頂及基本頂，因此切頂鉆孔爆破高度控制在煤層頂板上覆10～57 m 范圍。結合現(xiàn)場施工條件，在采面上順槽、下順槽距離停采線18 m 處分別布置一組切頂鉆孔，切頂工作在采面與停采線相距300 m 前完成。具體切頂鉆孔布置如圖2 所示，切頂鉆孔布置參數(shù)如表1 所示。

表1 切頂鉆孔技術參數(shù)

圖2 切頂鉆孔布置示意圖

2.2.2 裝藥及爆破

在切頂鉆孔內裝入Φ63 mm 乳化炸藥，采用正向裝藥方式提高爆破效果。由于切頂鉆孔傾角普遍較大，為避免裝藥期間炸藥出現(xiàn)下墜問題，在炮頭上增加布置防滑鋼絲，具體防滑鋼絲布置如圖3 所示。切頂鉆孔塌孔會影響后續(xù)裝藥，為此鉆孔鉆進完成后用水進行沖孔，后及時裝藥。

圖3 防滑鋼絲布置示意圖

切頂鉆孔用黃泥封孔。采用的黃泥為粒徑在6 mm以下的細黃泥，在地面進行篩分后運輸至井下作業(yè)點。黃泥通過水霧浸潤后用專用封孔器噴入到鉆孔內，采用此種封孔方式可實現(xiàn)封孔完成后立即爆破。

切頂流程為：按照設計施工鉆孔（鉆孔施工完成后沖孔）→探孔（對鉆孔塌孔等探測）→防滑炮頭制作→孔內注入炸藥→封孔→導通檢查→撤人、警戒→連線→爆破。

2.3 模擬分析

按照上述切頂方案采用FLAC 軟件構建模擬方案，對切頂前后采面超前支承壓力分布情況進行分析，具體結果如圖4、圖5 所示。從圖4 中看出，在切頂之前，13302 綜采工作面開采引起的超前支承壓力峰值位于煤壁前方20.5 m位置、應力峰值為29.58 MPa，影響范圍約為69.7 m，采區(qū)回風大巷與采面停采線間煤柱寬度為60 m，回風大巷位置所受應力為15.3 MPa，高于原巖應力；而切頂后，超前支承壓力傳遞路徑出現(xiàn)變化，支承壓力峰值向巖層深部位置轉移，影響范圍在56.9 m，采區(qū)回風大巷周邊應力為14.3 MPa，處于原巖應力區(qū)。

圖4 切頂前后超前支承壓力分布云圖

圖5 切頂前后超前支承壓力分布示意圖

通過模擬分析得知，在采面回采巷道內布置切頂鉆孔對煤層頂板進行切頂爆破，可實現(xiàn)頂板弱化，減少開采引起的超前支承壓力影響范圍并改善采區(qū)回風大巷應力環(huán)境，減少采區(qū)回風大巷圍巖變形量。

3 切頂效果分析

鄰近的13301 綜采工作面末采期間未做任何措施，采區(qū)回風大巷布置5 號測點頂板及巷幫變形最大分別為225 mm、187 mm；為監(jiān)測13302 綜采工作面末采對采區(qū)系統(tǒng)巷道影響，在采面距停采線300 m 位置時，在采區(qū)回風大巷內布置8 號測點監(jiān)測巷道圍巖變形。隨著采面推進，采區(qū)回風大巷圍巖變形監(jiān)測結果如圖6 所示。從監(jiān)測結果看出，在13302 綜采工作面末采采用切頂后，采區(qū)回風大巷頂板、巷幫最大移近量分別控制在115 mm、47 mm 以內，回風大巷基本不需要進行修整?，F(xiàn)場應用表明，通過末采切頂可有效降低13302 綜采工作面采動壓力對采區(qū)回風大巷圍巖控制影響，實現(xiàn)護巷目的。

圖6 回風大巷圍巖變形監(jiān)測結果

4 結論

1）13302 綜采工作面停采線與采區(qū)回風大巷間有60 m 保護煤柱，受到采面開采厚度以及頂板堅硬等因素影響，采區(qū)回風大巷在采動壓力作用下容易出現(xiàn)圍巖變形量大問題，給采區(qū)回風大巷正常使用帶來一定影響。為確保采區(qū)回風大巷圍巖穩(wěn)定，在13302綜采工作面回采巷道距離停采線20 m 處布置切頂鉆孔，對煤層直接頂及基本頂進行弱化，以便達到降低采面礦壓顯現(xiàn)目的。

2）依據(jù)現(xiàn)場條件對切頂鉆孔布置參數(shù)進行設計，并通過數(shù)值模擬技術對切頂效果進行分析，模擬發(fā)現(xiàn)，切頂后開采引起的超前支承壓力影響范圍降至56.9 m，小于保護煤柱寬度（60 m），同時采區(qū)回風巷處于原巖應力區(qū)，表明切頂后13302 綜采工作面末采基本不會給采區(qū)回風巷帶來明顯影響。

3）對切頂方案進行設計并現(xiàn)場應用后，13302 綜采工作面末采期間采區(qū)回風大巷頂板、巷幫變形在115 mm、47 mm 以內，基本不會給巷道使用帶來影響。而鄰近的13301 綜采工作面由于末采期間未采取任何措施，導致采區(qū)回風大巷頂板、巷幫變形在225 mm、187 mm，后續(xù)使用時需要進行修整。