喬 磊

（西山煤電（集團）公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

0 引 言

切頂卸壓技術(shù)是解決因堅硬難垮頂板懸露面積較大導(dǎo)致巷道礦壓顯現(xiàn)強烈的有效措施。近年來，諸多學(xué)者專家對此進(jìn)行了大量研究。張盛等[1]基于對切頂卸壓沿空留巷工藝在國內(nèi)30 余個煤礦中的應(yīng)用現(xiàn)狀的總結(jié)和分析，統(tǒng)計了定向爆破孔的孔深、角度、間距和鉆孔直徑等關(guān)鍵參數(shù)。徐軍等[2]基于對淺孔爆破時巖體裂隙分布和頂板破斷規(guī)律的分析，提出淺孔爆破切頂卸壓和構(gòu)筑充填體的聯(lián)合沿空留巷技術(shù)。姚安濤等[3]針對超前壓力易導(dǎo)致巷道底鼓問題，通過對沿空留巷進(jìn)行切頂卸壓，有效治控制了回采巷道底鼓量。劉書梁和李漢民[4]針對孫莊礦沿空留巷礦壓顯現(xiàn)較大的問題，基于對沿空留巷礦壓顯現(xiàn)較大的誘因分析，利用切頂卸壓技術(shù)有效控制了沿空留巷礦壓。郭鵬飛等[5]通過確定雙向聚能張拉爆破參數(shù)，實現(xiàn)了軟弱復(fù)雜頂板的預(yù)裂爆破，維護了沿空留巷的穩(wěn)定性?；谏鲜鲅芯浚疚尼槍ν吞m礦12507 底抽巷在12507 工作面采動影響下巷道變形較大，難以維護的工程現(xiàn)狀，提出采用切頂卸壓技術(shù)對12507 工作面采空區(qū)頂板進(jìn)行側(cè)向預(yù)裂，以保護12507 底抽巷的穩(wěn)定。

1 工程概況

西山煤電集團屯蘭礦2#煤層為該礦主采煤層之一，2#煤層厚度為2.35～3.24 m，平均厚度2.74 m；煤層傾角為2～8°，平均傾角5°。其12507 工作面頂板由不同厚度的泥巖、細(xì)砂巖和粉砂巖構(gòu)成，底板由不同厚度的砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖構(gòu)成。12507 工作面頂?shù)装迩闆r如圖1 所示。

圖1 綜合柱狀圖

2# 煤層12507 工作面北鄰12505 工作面采空區(qū)，南鄰12509 工作面（計劃布置），東為土地溝斷層防水煤柱和富開洗煤廠，西為南五回風(fēng)巷、南五軌道巷和南五膠帶機巷。12505 工作面回采完畢后采用沿空留巷技術(shù)將12505 瓦斯治理巷復(fù)用為12507 軌道順槽，12507 底抽巷位于12507 皮帶順槽下方，12507工作面布置具體如圖2 所示。

圖2 12507 工作面布置圖

由圖1 和圖2 可知，12507 工作面頂板巖層較為堅硬，隨12507 工作面推進(jìn)，頂板懸露面積不斷增大，懸露時間不斷延長，導(dǎo)致12507 底抽巷變形較大，維護困難。為了控制12507 底抽巷圍巖變形，確保瓦斯抽采效果，現(xiàn)決定根據(jù)12507 工作面實際條件，在12507 皮帶順槽內(nèi)進(jìn)行爆破切頂卸壓，以優(yōu)化12507底抽巷圍巖環(huán)境。

2 切頂卸壓數(shù)值模擬

2.1 模型建立

切頂炮孔高度、角度以及孔間距的選擇是否合理決定了切頂卸壓的整體效果，為此基于12507 工作面煤巖層具體情況，利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，對12507 工作面皮帶順槽不同切頂炮孔角度時12507 底抽巷塑性區(qū)分布進(jìn)行分析。所建立的模型尺寸為200×80 m（長×高），模型上邊界施加15 MPa的均布載荷，底邊界限制垂直方向位移，左右邊界限制水平方向位移，所采用的煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 不同切頂角度對12507 底抽巷塑性區(qū)分布的影響

基于12507 工作面頂板巖層條件知，2# 煤層上方頂板堅硬層位較多，需要處理到垂直高度15 m 左右比較合理，因此將預(yù)裂炮孔斜長設(shè)置為18 m。結(jié)合12507 工作面實際生產(chǎn)情況，將預(yù)裂炮孔角度分別設(shè)置為60°、65°、70°和75°進(jìn)行模擬，4 種不同切頂角度時圍巖塑性區(qū)分布分別如圖3（a）～圖（d）所示。

圖3 不同切頂角度時巷道圍巖塑性區(qū)分布圖

對比圖3（a）～圖（d）可知，隨著12507 皮帶順槽切頂角度增大，12507 底抽巷圍巖塑性區(qū)范圍呈現(xiàn)出先增大后減小再趨于穩(wěn)定的變化趨勢。當(dāng)切頂炮孔角度為60°時，巷道圍巖塑性區(qū)呈“反K”形分布，塑性區(qū)主要沿巷道左上角和左下角延伸，而巷道右側(cè)塑性區(qū)范圍相對較小。當(dāng)切頂炮孔角度增大至65°時，巷道圍巖塑性區(qū)呈“X”形分布，塑性區(qū)沿巷道四角向圍巖深處延伸，且塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴大。當(dāng)切頂炮孔角度為70°時，巷道圍巖塑性區(qū)呈“倒π”形分布，塑性區(qū)沿巷道左上角和右上角略有延伸，而巷道其他位置塑性區(qū)范圍較小，巷道圍巖整體性較好；而當(dāng)切頂炮孔角度增大至75°時，巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍無顯著變化。由此可知，采用角度為70°的炮孔對12507 工作面采空區(qū)側(cè)頂板進(jìn)行側(cè)向預(yù)裂時，12507 底抽巷圍巖塑性區(qū)范圍最小，即采用該角度進(jìn)行切頂時對12507 底抽巷保護效果最好。

2.3 炮孔間距的確定

為了進(jìn)一步確定切頂卸壓炮孔間距，本文采用HIGE_EXPLOSIVE_BURN 模型和JWL 方程對單個炮孔和雙炮孔炸藥爆破過程進(jìn)行模擬，采用單個炮孔和雙炮孔時裂隙發(fā)育形態(tài)分別如圖4（a）和圖4（b）所示。

由圖4 可知，炸藥起爆后100 us 時炮孔周圍開始出現(xiàn)大范圍破壞，350us 時炮孔周圍開始出現(xiàn)徑向主裂紋，主裂紋條數(shù)為4 條。隨后主裂紋和次裂紋繼續(xù)擴展，次裂紋擴展方向具有一定的隨機性，主裂紋擴展的主方向為沿徑向向外擴展，但在局部表現(xiàn)為一定的隨機性。對于雙炮孔時主裂紋條數(shù)有所增加。裂紋擴展終止后向上下主裂紋的擴展長度分別為0.8m 和0.9m，平均長度0.85m。因此，在12507 工作面頂板圍巖條件下起爆后炮孔周圍的裂隙區(qū)直徑約為1.7m。綜上所述，結(jié)合12507 工作面頂板圍巖具體條件，確定切頂炮孔最佳間距為3.0m。

圖4 單個和雙炮孔時巖體裂隙發(fā)育狀態(tài)

3 巷道表面變形監(jiān)測與分析

炮孔沿工作面皮帶巷頂板走向布置，間距為3m，孔深斜長18m，仰角偏向工作面?zhèn)?0°，炮孔垂高為15m。炮孔施工時考慮12507 皮帶順槽內(nèi)設(shè)備的影響，在距離巷幫頂板處2m 處左右開口（即在巷道頂板中部開孔）。同時由于12507 工作面頂板堅硬打鉆較為困難，為了打鉆及填裝炸藥工作更容易，采用Ф75mm 鉆頭和Ф50mm 凹槽爆破筒進(jìn)行炮孔施工。為了驗證該側(cè)向切頂方案時12507 底抽巷穩(wěn)定情況，對12507 底抽巷表面位移進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。以預(yù)裂炮孔布設(shè)位置為起始點，布設(shè)設(shè)2 個巷道表面位移測站，測站間距為50 m，監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示。

圖5 巷道表面相對位移量

由圖5 可知，2 個測站所監(jiān)測的數(shù)據(jù)相差不大，且所測得的15207 底抽巷頂?shù)装逡平烤笥趦蓭鸵平?。距工作?～60 m 范圍內(nèi)，15207 底抽巷表面相對移近量變化較大，但在距工作面60～100m范圍時，15207 底抽巷表面移近量無顯著變化，總體上趨于穩(wěn)定。此外，測站1 所監(jiān)測的15207 底抽巷頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為206.13和134.12mm，測站2 所監(jiān)測的15207 底抽巷頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為213.14 和138.22mm。由此可見，采用間距為3 m，孔深斜長18 m，仰角偏向工作面?zhèn)?0°炮孔布設(shè)方式對12507 工作面采空區(qū)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破時，15207底抽巷表面變形較小，即有效保護了15207 底抽巷的穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

本文針對屯蘭礦12507 底抽巷在12507 工作面采動影響下巷道變形較大，難以維護的工程現(xiàn)狀，基于理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，提出采用切頂卸壓技術(shù)對12507 工作面采空區(qū)頂板進(jìn)行側(cè)向預(yù)裂，并確定了采用間距為3 m，孔深斜長18 m，仰角偏向工作面?zhèn)?0°炮孔布設(shè)方式進(jìn)行切頂卸壓時對12507 底抽巷保護效果最好。