張 亮

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046032)

傳統(tǒng)的采煤工藝中，相鄰兩個(gè)綜采工作面之間通過(guò)留設(shè)區(qū)段煤柱進(jìn)行護(hù)巷，煤柱寬度在20～50 m不等，該方式使大量的煤柱留在了采空區(qū)，造成了大量的煤炭資源浪費(fèi)[1]。同時(shí)，隨著采深的增加、鄰近工作面回采的影響，區(qū)段煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度高，巷道變形大、沖擊地壓等地質(zhì)災(zāi)害日益突出。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了小煤柱[2-3]、無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)[4-5]，有效解決了區(qū)段煤柱留設(shè)造成的資源浪費(fèi)問(wèn)題，但巷道受動(dòng)壓影響變形的問(wèn)題依然比較嚴(yán)重。本文以漳村煤礦2601工作面為工程背景，對(duì)綜放工作面定向預(yù)裂切頂技術(shù)進(jìn)行研究。

1 超前定向預(yù)裂切頂圍巖控制基本原理

綜采工作面定向預(yù)裂切頂是在上一區(qū)段工作面的下順槽頂板，沿巷道走向全長(zhǎng)預(yù)裂一條縫，待上一區(qū)段工作面回采后，巷道頂板在采動(dòng)應(yīng)力的作用下沿切縫自動(dòng)垮落(圖1)，切斷更大范圍頂板的應(yīng)力傳遞，大大降低小區(qū)段煤柱的應(yīng)力集中，從而保證窄煤柱沿空巷道處于礦山壓力的卸壓區(qū)，進(jìn)而有效控制巷道的大變形問(wèn)題，保證正常生產(chǎn)。

圖1 工作面定向預(yù)裂切頂示意

定向預(yù)裂切頂?shù)年P(guān)鍵在于在設(shè)計(jì)的方向上產(chǎn)生裂縫，本文采用雙向聚能爆破技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。聚能裝置是人為開(kāi)槽的PVC管，聚能裝置插入炮孔中，爆破過(guò)程中爆轟波將沿PVC管的弱面聚能傳播，從而形成定向裂縫。

2 超前定向預(yù)裂切頂關(guān)鍵參數(shù)

2.1 切頂高度

切頂高度是切頂卸壓的關(guān)鍵之一，必須保證爆破及頂板垮落后充滿(mǎn)采空區(qū)，上覆巖層在垮落矸石有效支撐作用下，巖層移動(dòng)變緩，最后逐漸趨于穩(wěn)定。切頂高度計(jì)算公式可由(1)式確定：

(1)

式中：Hm為切頂高度，m；hi為頂板分層厚度，m；M為采高，m；Kp為垮落矸石碎脹系數(shù)。

2.2 切頂角度

切頂角度太小不利于鉆孔施工，太大會(huì)造成懸頂距離過(guò)長(zhǎng)，切頂效果較差。采用3DEC數(shù)值模擬軟件，以漳村煤礦2601綜采工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)(埋深500 m，四周均施加水平位移約束，底部施加固定約束，上部施加11.25 MPa的均布載荷模擬上覆巖層，側(cè)壓系數(shù)λ=1.1)，分別對(duì)切頂角度為5°、10°、15°條件下上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律和巷道圍巖變形特征進(jìn)行了模擬，如圖2所示。

整體來(lái)看，預(yù)裂爆破切頂角度對(duì)上覆巖層切頂兩側(cè)的垮落變形影響較大，但均起到了切斷窄煤柱上方巖層與采空區(qū)巖層的連接。切頂角度為5°時(shí)，采空區(qū)上覆巖層垮落后與窄煤柱上方巖層由固結(jié)變?yōu)殂q接結(jié)構(gòu)，巖層間的相互摩擦力和水平鉸接力起主導(dǎo)作用。由于水平鉸接力的存在，使得采空側(cè)巖層與窄煤柱上方形成三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，壓力得不到有效釋放。切頂角度為10°、15°時(shí)，更加有利于采空側(cè)頂板的切落，在窄煤柱上方形成短懸臂結(jié)構(gòu)。切頂兩側(cè)巖層下沉位移量相差很大，呈現(xiàn)出斷崖式增大，表明采空側(cè)被切落的老頂與窄煤柱上方老頂間無(wú)摩擦鉸接力的作用，直接斷裂接底。

2.3 爆破參數(shù)

1) 炮孔間距。切頂卸壓炮孔間距是由單孔爆破預(yù)裂裂縫的擴(kuò)展長(zhǎng)度所決定的，相鄰兩個(gè)炮孔所預(yù)裂的裂縫要實(shí)現(xiàn)貫通，因此炮孔間距可由式(2)求得：

L=2×(Rp+Rc+rb)

(2)

式中：Rc為壓碎區(qū)，m；Rp為裂隙區(qū)，m；rb為鉆孔半徑，m。

2) 裝藥量。裝藥量與巖石性質(zhì)和炸藥特征有直接關(guān)系，切頂卸壓炮孔采用連續(xù)不耦合裝藥，裝藥量可由式(3)求得：

(3)

式中：ρ0為炸藥密度，kg/m3；db為炮孔直徑，m；De為徑向不耦合系數(shù)。

3 超前定向預(yù)裂切頂卸壓工程應(yīng)用

3.1 工程背景

漳村煤礦目前回采2601工作面，為充分回收煤炭資源，鄰近工作面2603與2601之間僅留設(shè)10 m的區(qū)段煤柱。為降低2603運(yùn)巷的巷道變形，提出在2601工作面風(fēng)巷實(shí)施超前切頂卸壓技術(shù)，切斷2601風(fēng)巷頂板與2601工作面采場(chǎng)直接頂、基本頂?shù)穆?lián)系，在周期來(lái)壓作用下采場(chǎng)頂板沿預(yù)裂面切落，減少殘余頂板的懸露長(zhǎng)度，將巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深部，改善2603運(yùn)巷圍巖應(yīng)力環(huán)境，有效控制巷道變形。

3.2 施工參數(shù)

根據(jù)2601工作面綜合柱狀圖分析，取垮落矸石碎脹系數(shù)為1.3，采高6 m，代入式(1)計(jì)算斷頂高度Hm=20 m，同時(shí)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)炮孔角度向2601工作面方向偏轉(zhuǎn)10°。為確保預(yù)裂爆破充分發(fā)揮作用，炮眼在爆破之后能夠按照要求切頂，爆破鉆孔距離煤柱1 m，鉆孔孔徑為50 mm，鉆孔間距為1.5 m，如圖3所示。

工作面炮孔鉆機(jī)采用ZLJ-600煤礦用坑道鉆機(jī)2臺(tái)，并配備D48 mm鉆頭和D42 mm鉆桿。切頂爆破聚能裝置的炸藥管外徑為40 mm，壁厚2～3 mm，每段2 m，180°對(duì)穿打孔，孔徑為4 mm，間距8 mm，炸藥采用滿(mǎn)足煤礦瓦斯等級(jí)的礦用乳化液炸藥，藥卷直徑35 mm，如圖4所示。

圖3 爆破鉆孔布置

圖4 聚能管結(jié)構(gòu)示意

3.3 應(yīng)用效果

巷道的變形量是巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境的直觀體現(xiàn)，通過(guò)在2603運(yùn)巷50 m、100 m、200 m布設(shè)表面位移觀測(cè)點(diǎn)，連續(xù)60多天對(duì)巷道變形量進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖5。

由圖5可知，巷道在前30 d內(nèi)變形量較大，在30 d過(guò)后就逐漸趨于穩(wěn)定，變形量在200～300 mm之間，整條巷道的變形得到有效控制。與25采區(qū)同類(lèi)巷道相比，巷道未出現(xiàn)幫鼓、底鼓、斷錨桿等現(xiàn)象，證明2601風(fēng)巷超前預(yù)裂切頂技術(shù)很好地將采場(chǎng)上部應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了2603工作面的深部，保證了2603運(yùn)巷的巷道成形，應(yīng)用效果良好。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 綜采工作面定向預(yù)裂切頂?shù)闹饕饔檬乔袛嗖蓤?chǎng)上部大范圍頂板的應(yīng)力傳遞，將應(yīng)力往工作面深部轉(zhuǎn)移，大大降低小區(qū)段煤柱的應(yīng)力集中，有效控制回采巷道的大變形。

2) 綜采工作面定向預(yù)裂切頂?shù)年P(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括切頂高度、切頂角度、炮孔間距、裝藥量等，這些參數(shù)受具體的地質(zhì)條件影響。

3) 漳村煤礦2601風(fēng)巷實(shí)施的定向預(yù)裂切頂對(duì)2603運(yùn)巷的巷道變形有很好的控制作用，變形量控制在了200～300 mm，應(yīng)用效果良好。