吳 旭

（西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

馬蘭礦南五采區(qū)18502工作面開采結(jié)束后，由于停采線距離采區(qū)大巷距離較近，停采后未進(jìn)行切頂卸壓，導(dǎo)致采區(qū)大巷尤其是距離最近的南一軌道下山長期受高應(yīng)力影響，出現(xiàn)頂板下沉量大、噴層脫落等大動壓顯現(xiàn)，巷道反復(fù)維修，對生產(chǎn)造成了一定的影響。為減少礦山壓力的影響，在18504工作面進(jìn)行爆破切頂卸壓，取得了較好的效果。

1 工程概況

馬蘭礦18504工作面位于910 m水平，所采煤層為8號煤，煤層厚度4.00～4.68 m，平均4. 3 m。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1。

圖1 8號煤頂?shù)装鍘r性

18504工作面開切眼長度為251 m，安裝支架168架，推進(jìn)長度1215 m，采用走向長壁綜合機(jī)械化開采，全部垮落法處理頂板。工作面位于南五下組煤采區(qū)左翼，東南方向?yàn)?8506工作面，尚未回采，西北側(cè)為18502工作面，已經(jīng)回采結(jié)束。工作面切眼東北側(cè)上部為南八南九膠帶機(jī)運(yùn)輸大巷，膠帶巷上部為12510采空區(qū)。

2 切頂卸壓機(jī)理分析

工作面開采過程中，在工作面前方形成超前支承壓力區(qū)，隨著工作面的推進(jìn)而逐漸前移。該區(qū)域內(nèi)的巷道受支承壓力影響，容易出現(xiàn)大變形[1-3]。工作面回采結(jié)束后，采空區(qū)上方未垮落的基本頂形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，使得前方的巷道長期處于高應(yīng)力的環(huán)境中，也是巷道劇烈變形的原因之一。

通過切頂，人為將采空區(qū)上方覆巖斷開，實(shí)現(xiàn)礦山壓力的主動調(diào)控[4-6]，一方面降低超前支承壓力峰值，使得應(yīng)力重新分布，減少對巷道的影響；另一方面阻止基本頂覆巖對巷道的側(cè)壓作用，打斷基本頂?shù)膽冶哿航Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對巷道的保護(hù)。如圖2。

圖2 卸壓前后超前支承壓力分布規(guī)律

3 爆破切頂設(shè)計(jì)

3.1 目標(biāo)層位

由柱狀圖可知，8號煤層頂板中的粉砂巖、中粒砂巖等均為堅(jiān)硬不易垮落巖層，石灰?guī)r承載上方的7號煤和泥巖，為基本頂巖層。為保證切頂效果，要求切頂層位不低于7號煤底板的砂質(zhì)泥巖，即8號煤以上23.3 m。

3.2 炮孔布置

在工作面停采線附近和皮帶巷內(nèi)分別打孔爆破。

停采線：該區(qū)域內(nèi)的炮孔間距為3.0 m，每2個支架施工一個爆破鉆孔；高抽巷5 m左右及兩端頭5 m范圍內(nèi)不施工鉆孔。共施工炮孔77個。鉆孔向上傾斜角度為45°，深度不低于33 m。

皮帶巷：該區(qū)域內(nèi)的炮孔間距為3.0 m，從停采線往外在保護(hù)煤柱側(cè)布置，共施工17個鉆孔。鉆孔向上傾斜75°，深度不低于33 m。

3.3 主要爆破參數(shù)

炮孔直徑為75 mm，封孔長度為13 m，裝藥長度為20 m，每米裝藥量為1.5 kg，每個炮孔裝藥30 kg，兩個區(qū)域共計(jì)炮孔94個，合計(jì)用藥2.82 t。

3.4 數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對18504工作面爆破切頂前后的超前支承壓力分布規(guī)律進(jìn)行模擬分析。模型尺寸設(shè)為300 m×300 m×180 m，如圖3所示。模型底部邊界為固定支承，上部邊界采用應(yīng)力邊界條件。

圖3 爆破切頂數(shù)值模擬模型

爆破切頂前后的超前支承壓力分布規(guī)律如圖4。

圖4 切頂前后支承壓力分布規(guī)律

由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，切頂前后工作面前方支承壓力分布變化明顯，切頂前的應(yīng)力峰值為19.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.9。爆破切頂后，煤層上方15 m應(yīng)力峰值為12.2 MPa，應(yīng)力下降38.4%，卸壓效果明顯。

4 現(xiàn)場實(shí)踐

4.1 爆破工藝

4.1.1 鉆孔

使用坑道鉆機(jī)施工炮孔，鉆頭為三翼金剛鉆頭，直徑為Φ75 mm，鉆桿直徑為Φ50 mm，每根鉆桿長度為1 m。在鉆孔施工過程中，使用坡度儀準(zhǔn)確定位炮孔角度，炮孔角度允許偏離的角度為±1°，鉆桿鉆到規(guī)定深度時(shí)鉆機(jī)空轉(zhuǎn)3 min排除孔內(nèi)巖渣。

4.1.2 裝藥

為實(shí)現(xiàn)定向切頂爆破，炸藥都裝在“O”形聚能管內(nèi)。聚能管直徑為50 mm，長度為2000 mm。炸藥為礦用三級乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，長度為200 mm。

先將藥卷裝入聚能管內(nèi)，然后向炮孔內(nèi)填送炸藥，在每一節(jié)炸藥填入孔內(nèi)的同時(shí)，將雷管塞入。為杜絕殘炮，需采用“分段連體式”裝藥結(jié)構(gòu)，即將每個炮孔內(nèi)的10個聚能管分為兩組，分段安裝。裝藥前必須用直徑55 mm的專用炮棍先探孔，如果炮棍能夠順利深入孔內(nèi)，則進(jìn)行裝藥。如果遇到卡阻現(xiàn)象，說明孔內(nèi)有打鉆殘?jiān)?，將高壓水管接到炮棍上，使用高壓水沖洗炮孔，然后再裝藥。

4.1.3 封孔

每個炮孔的封孔長度為13 m，采用專用的深孔封泥袋進(jìn)行封孔，封泥袋直徑50 mm，每節(jié)長度為500 mm。封孔泥袋內(nèi)裝有干燥的黃土，爆破之前將黃土裝好，送至工作面。

裝藥結(jié)束后，每個炮孔內(nèi)采用26個封孔泥袋，封孔時(shí)注意對爆破母線的保護(hù)，防止其磨損與絞纏，母線懸掛至孔壁上側(cè)，并固定好。初始封孔時(shí)，采用炮棍大頭將黃土封泥袋塞入孔內(nèi)，用力封實(shí)。

4.1.4 起爆

每根聚能管內(nèi)的藥卷采用并聯(lián)的方式，而同一炮孔內(nèi)的聚能管之間采用大串聯(lián)的方式。起爆器型號為MFB200型，同時(shí)起爆的多個炮孔之間采用串聯(lián)的方式。每次施工3～5個炮孔后即可裝藥一次起爆，每次起爆不超過5個孔，按每天三班施工9個，工作面77個孔共需8～9 d完成。位于膠運(yùn)巷內(nèi)的炮孔可后期根據(jù)時(shí)間自行安排施工，每次同時(shí)起爆不超過5個炮孔。

4.2 應(yīng)用情況

在距離工作面最近的南一軌道下山中設(shè)置測點(diǎn)，采用十字布點(diǎn)法對巷道表面位移進(jìn)行觀測。共設(shè)置3個測點(diǎn)，測點(diǎn)間距為100 m。其中2號測點(diǎn)位于巷道中部，在工作面到達(dá)停采位置時(shí)開始觀測，每天觀測一次，當(dāng)連續(xù)兩天觀測到的巷道下沉量變化值小于0.5 mm時(shí)停止觀測。觀測結(jié)果如圖5。

圖5 巷道表面位移觀測結(jié)果

由圖5可知，受爆破卸壓影響，南一軌道下山的巷道變形呈現(xiàn)特有的規(guī)律。爆破之前，巷道受工作面支承壓力的影響，具有一定的變形，頂板變形速度約為3.2 mm/d，兩幫收斂速度約為2.5 mm/d。觀測后第5 d，爆破切頂作業(yè)到達(dá)工作面中部，受爆破影響，南一軌道下山出現(xiàn)劇烈變形，頂板日最大下沉量達(dá)到12 mm。爆破影響期大概為7 d，之后巷道進(jìn)入緩慢變形階段，頂板變形速度約為0.6 mm/d，僅為卸壓前的19%，卸壓護(hù)巷效果明顯。

5 結(jié)論

（1）受工作面超前支承壓力和采空區(qū)上方懸臂梁的影響，工作面前方一定距離內(nèi)的巷道處于高應(yīng)力狀態(tài)，變形嚴(yán)重。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，切頂可以降低超前支承壓力峰值，最大降幅達(dá)38.4%，同時(shí)阻止基本頂覆巖對巷道的側(cè)壓作用，有利于巷道的維護(hù)。

（3）18504工作面采用爆破切頂后，位于工作面前方的南一軌道下山等采區(qū)大巷變形量小，頂板下沉速度為卸壓前的19%，最大下沉量為41 mm，取得了較好的卸壓效果。