聚能爆破切頂卸壓技術在工作面末采護巷的應用研究
王瑜
山西焦煤汾西礦業(yè)集團賀西煤礦 山西 呂梁 033300
摘要：針對賀西煤礦3#煤采區(qū)大巷受回采工作面末采期間采動應力的影響圍巖變形較大問題，提出在工作面末采期間沿回撤通道內采用雙向聚能爆破切頂卸壓技術，同時采用恒阻大變形錨索對大巷圍巖進行返修加固的方案。現(xiàn)場應用效果表明，該方案可切斷回采工作面與大巷間頂板的應力傳遞，從而減小了工作面回采動壓對大巷圍巖的擾動，大巷圍巖變形小，減少返修次數(shù)，增強了巷道圍巖穩(wěn)定性，取得良好的技術及經(jīng)濟效益。
關鍵詞：采動應力，切頂卸壓，補強支護，圍巖穩(wěn)定
Study on application of shaped charge blasting with top cutting and pressure relief technology in mining retaining roadway at the end of working face
Abstract: in view of the problem that the surrounding rock deformation in the no.3 coal mining area of hexi coal mine is greatly affected by the mining-induced stress at the end of mining face, this paper proposes a plan to adopt the double-direction shaped charge blasting to cut off the top and release the pressure along the backsliding channel at the end of mining face, and at the same time adopt the anchoring cable with constant resistance and large deformation to repair and reinforce the surrounding rock. The field application results show that this scheme can cut off the stress transfer between the stoping face and the roadway, thus reducing the disturbance of the roadway surrounding rock caused by the stoping pressure, reducing the deformation of the roadway surrounding rock, enhancing the stability of the roadway surrounding rock, and achieving good technical and economic benefits.
Keywords: mining-induced stress, cutting off the top to relieve pressure, reinforcing support, surrounding rock stability
0 引言
巷道是煤礦地面通向井下的咽喉，巷道安全對煤礦安全生產(chǎn)的重要性不言而喻，是煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效的關鍵環(huán)節(jié)。大巷涉及煤礦的全生命周期，其具有斷面大、服務周期長、支護質量要求高等特點，保持大巷圍巖的穩(wěn)定性對礦井安全穩(wěn)定運行具有重要的作用。汾西礦業(yè)集團賀西煤礦井下3#煤采區(qū)大巷受回采工作面末采期間采動應力的影響，其軌道、運輸、回風大巷均出現(xiàn)了圍巖變形較大問題。各主要大巷原采用錨桿+錨索+噴漿作為永久支護，在工作面回采動壓影響下，均發(fā)生不同程度的頂板下沉、底鼓、兩幫移近量增大等礦壓現(xiàn)象，巷道原支護系統(tǒng)已無法對巷道形成有效支承，大巷在服務年限內要經(jīng)過多次返修，對礦井安全及效益產(chǎn)生了很大的影響，因此采取相關措施減小工作面末采回采動壓對大巷的影響勢在必行。通過介紹聚能爆破定向切頂卸壓技術，切斷回采工作面與大巷間頂板的應力傳遞，從而減小了工作面回采動壓對大巷圍巖的擾動，最終實現(xiàn)應力優(yōu)化以維護大巷圍巖的穩(wěn)定。
1 工程背景
賀西煤礦3314工作面開采山西組3#煤層，工作面走向長度2200m，傾斜長度170m，工作面煤層底板標高為+607.7-+685.6m，3#煤為低灰、低硫主焦煤，根據(jù)鉆探資料及井下實測資料，地質構造比較簡單，基本呈單斜構造及次一級的褶皺構造，傾向SW，傾伏角0°~6°，平均3°，煤層厚度為1.13～2.37m，平均為1.75m，容重1.39t/m2。3#、4#煤層層間距約為14.4m左右。3314工作面位于三采區(qū)東翼，北部是3312工作面（采空區(qū)），南部為3#實體煤（3316工作面），西部為三采區(qū)三條采區(qū)大巷。為減小3314工作面回采動壓對三采區(qū)大巷圍巖的擾動，故在選擇在3314工作面末采回撤通道內進行聚能爆破切頂卸壓施工。
2 聚能爆破切頂卸壓技術介紹
（1）雙向聚能張拉成型爆破技術工藝及預裂原理
雙向聚能張拉成型爆破技術由何滿潮院士首創(chuàng)，期主要技術原理即將炸藥放入兩個設定方向有聚能效應的聚能裝置中，待引爆炸藥后，炮孔圍巖會在設定方向和非設定方向呈現(xiàn)不同的受力狀態(tài)，前者圍巖主要承受拉應力，后者圍巖主要發(fā)生均勻受壓，最終實現(xiàn)被爆破巖體沿著設定的預裂發(fā)現(xiàn)發(fā)生張拉斷裂。該項技術的關鍵點在于借助雙向聚能裝置來產(chǎn)生對巖體的張拉力，為達到理想的爆破效果，要求聚能管強度適中，既要減小對巖體的損傷，同時要減少作用于聚能裝置上的能量消耗并降低成本。
（2）雙向聚能張拉成型爆破技術特點
該項爆破技術與傳統(tǒng)的切縫爆破、聚能爆破等方式相比，具有如下的技術優(yōu)勢：①充分利用了巖體卡抗壓強度高而抗拉強度小的特點，炮孔間距實現(xiàn)了最大可能的增加；②對爆轟能量進行了控制，盡可能將對圍巖的破壞作用降到最低；③單孔炸藥消耗量較小，可將爆破成本進一步降低，經(jīng)濟效益顯著；④現(xiàn)場操作簡單，便于大規(guī)模進行推廣使用。
（3）雙向聚能張拉成型爆破力學機理
炮孔內的炸藥起爆后，爆炸產(chǎn)生的能量沖擊波首先對聚能裝置所朝向孔壁發(fā)生作用，使其有裂隙產(chǎn)生，受到孔內聚能裝置的作用影響，爆轟產(chǎn)生的高能量氣體沿著初始裂隙方向涌入，其作用效果如同氣楔一般，在初始裂隙方向有拉應力產(chǎn)生，其整個作用過程如圖1所示，（a）圖中首先產(chǎn)生聚能壓力作用，巖體孔壁兩側受到壓應力，（b）圖中孔壁整體受壓，而雙向聚能裝置在巖體局部區(qū)域有拉應力產(chǎn)生，（c）圖中各炮孔間在軸向系列聚能孔張拉作用下最終形成貫穿裂縫。
圖1 雙向聚能張拉成型爆破受力模型
（4）定向預裂切縫設備
對煤礦巷道頂板進行定向預裂切縫的主要設備有：①DCA-45型切縫鉆機，該鉆機能夠根據(jù)現(xiàn)場工程地質條件進行預裂鉆孔的施工，具有鉆孔速度快、安全高效的特點；②聚能張拉爆破管，其外部直徑為42mm，內部直徑為36.5mm，分長度為1000mm的BTC-1000型和長度為1500mm的BTC-1500型；③將多個聚能管連接的ORI-5000型專用連接定向器及防止聚能管轉動的Fixer-42型固定器。
3 末采切頂卸壓方案設計
本設計采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護”為主體的設計方案，通過預裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，減弱巷道頂板壓力，且預裂爆破能夠很好地保護巷道頂板完整性。利用恒阻大變形錨索對大巷進行補強加固，控制大巷圍巖變形，使所大巷圍巖能夠最大限度地發(fā)揮自身承載作用，減少巷道變形。根據(jù)上述思路，結合以往工程經(jīng)驗和礦方意見，提出了以下設計方案。工程實施過程中，若發(fā)現(xiàn)支護強度不夠，巷道變形過大，應及時調整支護方案，采取應對措施。在3314工作面停采線位置進行切頂卸壓。切頂位置如圖2所示。
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圖2 3314工作面回撤通道切頂位置示意圖
3314工作面煤層直接頂為黑色泥巖、老頂為黑色砂質泥巖及粉砂巖、直接底為灰色西粒砂巖、老底為砂巖。根據(jù)工作面工程地質條件在3314工作面回撤通道內進行切頂卸壓施工方案設計，根據(jù)回撤通道內直接頂垮落及頂板上離層情況，將切頂卸壓施工范圍劃分為3個區(qū)域，即圖4中的Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)，如圖3所示，切頂卸壓分區(qū)施方案技術表如表1所示，回撤通道施工剖面如圖4所示。
圖3 回撤通道切頂卸壓施工分區(qū)示意圖
表1 切頂卸壓分區(qū)施工方案技術參數(shù)一覽表
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技術參數(shù) |
Ⅰ區(qū) |
Ⅱ區(qū) |
Ⅲ區(qū) |
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切縫角度/深度 |
10°（偏向采空區(qū)）/11500mm（6*1.5m聚能管+2.5m炮泥） |
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切縫孔距煤壁距離 |
2300mm |
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切縫孔間距 |
1000mm |
750mm |
1000mm |
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切縫孔一次起爆數(shù)量 |
≤4個 |
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錨索類別/規(guī)格 |
NPR恒阻錨索/φ21.8×7500mm |
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錨索距煤壁距離 |
700mm |
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錨索間距 |
750mm |
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聚能管裝藥結構 |
3+3+3+2+2（頂部為3） |
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工序 |
大切縫鉆孔→裝藥起爆→回撤支架 |
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圖4 3314工作面回撤通道切頂卸壓施工剖面示意圖
臨近3314工作面三條大巷設計為直墻半圓拱結構，采用錨網(wǎng)索+噴漿支護。頂錨采用φ22×2400mm左旋螺紋鋼錨桿，每排9根，幫錨采用φ20×2200mm左旋螺紋鋼錨桿，每排6根，錨桿間排距均為800×800mm。錨索為φ21.6mm鋼絞線，頂錨索長為6300mm，每排7根，幫錨索長為4300mm，每排2根，間排距為1200×1600mm。切頂卸壓前對大巷進行補強支護，大巷頂部采用3根恒阻錨索均勻布置，兩幫各采用1根恒阻錨索支護，恒阻錨索直徑為21.8mm，長度為7500mm，排距為1500mm。
4 效果分析
工作面末采時巖回撤通道進行切頂卸壓施工后，為考察雙向聚能爆破切頂卸壓施工的效果，在三采區(qū)運輸大巷內布置礦壓觀測站，對巷道圍巖變形進行兩個月的觀測，繪制如圖5所示的圍巖變形曲線。
圖5 切頂卸壓施工后大巷圍巖變形曲線圖
由圖5可知，對末采回撤通道進行切頂卸壓施工后，采區(qū)運輸大巷在12d內圍巖快速變形，兩幫變形最大變形速率為11.66mm/d，頂?shù)装逡平康淖畲笞冃嗡俾蕿?/span>5.83mm/d，此后巷道圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，最終巷道兩幫累計移近量為160mm、頂?shù)装謇塾嬕平繛?/span>80mm，巷道圍巖變形量較小，實現(xiàn)了巷道圍巖的穩(wěn)定。
5結論
（1）采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護”為主體的設計方案，通過預裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，減弱巷道頂板壓力，且預裂爆破能夠很好地保護巷道頂板完整性。利用恒阻大變形錨索對大巷進行補強加固，控制大巷圍巖變形，使所大巷圍巖能夠最大限度地發(fā)揮自身承載作用，減少巷道變形。
（2）對末采回撤通道進行切頂卸壓施工后，采區(qū)運輸大巷兩幫累計移近量為160mm、頂?shù)装謇塾嬕平繛?/span>80mm，巷道圍巖變形量較小，實現(xiàn)了巷道圍巖的穩(wěn)定。
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