運(yùn)輸順槽深孔爆破斷頂卸壓護(hù)巷技術(shù)研究

張 杰 李開賢 陳 勇

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

隨著煤炭開采的深入，深部巷道周圍的原位應(yīng)力一般都非常大且復(fù)雜[1-3]。究其原因，不僅是高垂直應(yīng)力的影響，水平應(yīng)力也會(huì)影響巷道的穩(wěn)定性。巷道支護(hù)非常關(guān)鍵，但不是確保安全的長期策略，因?yàn)椴傻V應(yīng)力不斷增加且復(fù)雜。隨著卸壓要求和安全標(biāo)準(zhǔn)的提高，注水、鉆孔、水力壓裂和開挖卸壓巷道等傳統(tǒng)卸壓技術(shù)通常會(huì)帶來繁重的工作量和高昂的成本。由于深部開采環(huán)境應(yīng)力較大，巖石具有整體性好、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在煤層頂部會(huì)形成又厚又硬的頂板。在煤礦開采過程中，巷道和工作面的高強(qiáng)度礦壓一直是影響平均煤炭產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[4]。切頂卸壓技術(shù)可有效控制巷道頂板巖層的連續(xù)性和穩(wěn)定性，降低動(dòng)壓影響范圍。該文針對濟(jì)寧二號(hào)煤礦93下11-2 工作面運(yùn)輸順槽在采動(dòng)影響下巷道圍巖變形較大、影響正常安全使用的現(xiàn)狀，提出了采用深孔爆破斷頂卸壓護(hù)巷技術(shù)進(jìn)行側(cè)向預(yù)裂，以確保93下11-2 運(yùn)輸順槽的穩(wěn)定性，研究成果為類似條件下的巷道變形控制提供了科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

93下11-2 工作面位于九采區(qū)西部，北側(cè)距九采西部探煤巷約251 m，南側(cè)東部為沖刷無煤變薄區(qū)，南側(cè)西部為93下11-1 工作面，南側(cè)上方為93上13、93上15 工作面采空區(qū)，西側(cè)為設(shè)計(jì)的93下12、93下13 工作面，東側(cè)為93下09 工作面采空區(qū)，工作面上方有93上13 原運(yùn)輸順槽和九采西部3上探煤巷。工作面標(biāo)高-701.9～-748.3 m，地面標(biāo)高+33.34～+42.80 m。工作面回采前期隨采隨加支架進(jìn)行擴(kuò)面生產(chǎn)，后期軌、運(yùn)順設(shè)備互換隨采隨減支架進(jìn)行縮面生產(chǎn)。工作面長94.3～370.8 m，推進(jìn)長度975～977 m。煤3下內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層傾角1°～6°，工作面煤厚2.4～4.9 m，平均3.3 m，普氏系數(shù)f一般在1.91 左右，為軟～中等硬度煤層。93下11-2 工作面位置關(guān)系如圖1。

圖1 93下11-2 工作面位置關(guān)系圖

93下11-2 工作面運(yùn)輸順槽沿煤層底板掘進(jìn)，由于受93下11-2 工作面采動(dòng)影響，93下11-2 運(yùn)輸順槽頂?shù)装搴蛢蓭统霈F(xiàn)嚴(yán)重的變形，巷道頂?shù)装遄畲笠平窟_(dá)750 mm，同時(shí)巷道頂板錨索支護(hù)材料出現(xiàn)破斷的現(xiàn)象。

2 深孔爆破切頂卸壓技術(shù)原理與方案

2.1 切頂卸壓技術(shù)原理

當(dāng)堅(jiān)硬頂板懸露的面積較大，難以發(fā)生垮落時(shí)，采用爆破的方法可以致使頂板巖層破斷，讓頂板一部分巖層先垮落到采空區(qū)。該部分巖層的垮落并不能形成較大的沖擊，同時(shí)可在采空區(qū)內(nèi)形成具有一定厚度的墊層，既可以減小頂板的懸露面積，還可以避免頂板在短時(shí)間大范圍出現(xiàn)垮落造成強(qiáng)大沖擊，有效防治煤礦煤巖動(dòng)力災(zāi)害[5-7]。

深孔預(yù)裂爆破切頂卸壓是在鉆孔底部集中裝藥爆破，釋放煤巖積聚的彈性能量，還可以產(chǎn)生松動(dòng)區(qū)，緩解巷道附近的應(yīng)力集中。合理的爆破參數(shù)可促進(jìn)煤巖破碎程度和范圍，加強(qiáng)卸壓程度和調(diào)峰深度，適用于較寬的應(yīng)力邊界。

工作面開采時(shí)，工作面開采影響范圍內(nèi)的巷道斷面變形速度快，控制難度大。為了盡可能減小開采應(yīng)力對周圍巷道的影響，設(shè)計(jì)了深孔爆破切頂作業(yè)。通過提前切割頂板，工作面與巷道頂板之間的連續(xù)結(jié)構(gòu)被切斷，從而阻礙了采礦引起的應(yīng)力傳遞，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境得到了改善，保證巷道的穩(wěn)定性[8-9]。

2.2 深孔爆破斷頂卸壓方案

2.2.1 爆破切頂高度

根據(jù)93下11-2 工作面頂板巖層情況，上覆巖層從下至上分別為泥巖（平均厚度為13.04 m）、中細(xì)砂巖互層（平均厚度為15.16 m）、粉砂巖（平均厚度為1.75 m）、煤層（平均厚度為0.9 m）、粉砂巖（平均厚度為2.02 m）、中砂巖（平均厚度為20.95 m）。93下11-2 工作面上覆巖層深孔預(yù)裂爆破需要處理的巖層為上覆的中砂巖和中細(xì)砂巖互層。為了保證停采線位置處的頂板軟化，爆破高度45 m。

2.2.2 爆破切頂角度

實(shí)體煤上方的斷裂體A 和采空區(qū)內(nèi)的斷裂體B發(fā)生摩擦而形成平衡體，二者產(chǎn)生滑移失穩(wěn)的條件：

（Tcosθ-Rsinθ）tanφ≤Rcosθ+Tsinθ（1）

式中：T、R分別為斷裂體B所受的水平應(yīng)力、剪切力，kN；θ為切頂?shù)慕嵌龋ā悖?；φ為A與B間的摩擦角，取值32.5°。

式中：q為斷裂體B 所受的均布載荷，kN；l為B 的長度，取值21 m；H為老頂?shù)暮穸龋≈?.6 m，ΔH為斷裂體B 的下沉量，取值3.3 m。

聯(lián)立（1）（2）式可得：

計(jì)算可得θ=15°，切頂?shù)难鼋菫?0° -15°=75°。

2.2.3 鉆孔間距

在深孔預(yù)裂爆破時(shí)，由爆破后巖體的破碎程度可以劃分為破碎區(qū)、裂隙區(qū)以及震動(dòng)區(qū)。在裂隙區(qū)范圍的巖體受剪切破壞，徑向裂隙較為發(fā)育，而切頂卸壓可以通過爆裂隙的貫通從而形成弱面。所以，把爆破的影響范圍控制在裂隙區(qū)可以起到切頂?shù)男Ч?。裂隙區(qū)的半徑可由以下公式計(jì)算：

式中：b為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)；α=2-b；σcd為單軸抗壓強(qiáng)度，取60.0 MPa；σtd為單軸抗拉強(qiáng)度，取1.5 MPa；ρ0為炸藥密度，取1400 kg/m3；Dv為炸藥爆速，取3000 m/s；η為爆炸物絕熱系數(shù)，取6.1；n為炸藥與孔壁接觸時(shí)的壓力增大系數(shù)，取3.3；μd為泊松比，取0.25；le為軸向裝藥系數(shù)，取1.0；Kp為裝藥不耦合系數(shù)，取1.8；rd為炮孔半徑，取30 mm。

將以上參數(shù)代入（4）式可以得出鉆孔裂隙區(qū)的半徑為7.5 m。本方案選擇隔孔裝藥方式，即相鄰爆破孔之間設(shè)置自由孔，鉆孔間距15 m。

2.2.4 鉆孔布置

1）走向鉆孔

93下11-2 運(yùn)順自93下11-2 切眼開始向外，面向回采方向，沿巷道走向施工64 個(gè)走向鉆孔，每組1 個(gè)鉆孔，鉆孔間距15 m，孔深45 m，直徑75 mm，與頂板呈75°，靠近非采幫。設(shè)計(jì)每孔裝藥18 m，裝藥量59.4 kg，封孔長度15 m。如圖2。

圖2 93下11-2 運(yùn)順走向鉆孔三視圖（m）

2）強(qiáng)化斷頂方案

93下11-2 運(yùn)順距切眼50～150 m 區(qū)域（進(jìn)出93下09 采空區(qū)前后100 m 區(qū)域），面向切眼方向與巷道走向呈15°偏向非采幫施工7 組走向鉆孔，每組布置3 個(gè)鉆孔，呈扇形布置，組內(nèi)鉆孔間距0.5～1 m，組間距15 m，鉆孔距非采幫1～1.5 m，與頂板分別呈75°、65°、55°，孔深分別為40 m、30 m、24 m，直徑75 mm，裝藥長度分別為13 m、10 m、8 m，裝藥量分別為42.9 kg、33 kg、26.4 kg，封孔長度分別為15 m、10 m、8 m。如圖3。

圖3 93下11-2運(yùn)順煤柱區(qū)域扇形頂板爆破鉆孔三視圖（m）

2.2.5 切頂卸壓深孔爆破施工工藝

采用ZDY3500LP 型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)施工鉆孔，使用Ф75 mm 鉆頭配合Ф50 mm×1000 mm 鉆桿鉆進(jìn)，鉆孔施工時(shí)采用濕式打眼進(jìn)行水力排渣。

檢查瓦斯?jié)舛龋貉b藥前、放炮前檢查放炮地點(diǎn)前后20 m 范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛?。?dāng)瓦斯?jié)舛瘸^1%時(shí)，嚴(yán)禁裝藥放炮。若鉆孔內(nèi)CH4濃度大于0.5%時(shí)，則該孔不再裝藥起爆并對鉆孔使用封孔劑或黃泥進(jìn)行全程封堵。

1）探孔：使用可延接的炮桿探孔，若因孔內(nèi)堵塞導(dǎo)致探孔深度達(dá)不到75%時(shí)，不再爆破；若驗(yàn)孔未至孔底但大于75%時(shí)，重新調(diào)整裝藥量后進(jìn)行爆破作業(yè)。

2）裝藥：

① 裝藥方式采用炮桿將藥柱緩慢送至孔底，每次將不大于6 節(jié)藥柱裝入爆破孔內(nèi)，孔深45 m 裝入14 節(jié)藥柱，40 m 裝入13 節(jié)藥柱，孔深30 m 裝入10 節(jié)藥柱，孔深24 m 裝入8 節(jié)藥柱。

② 每次在最后一節(jié)藥柱最外端300 mm 處，采用十字交叉法制成倒刺，防止在裝藥過程中藥柱下滑或從孔內(nèi)掉出。

③ 每次在最后一節(jié)藥柱上安裝2 個(gè)雷管，孔深45 m、40 m 雷管數(shù)量為6 發(fā)，孔深30 m 雷管數(shù)量為4 發(fā)，孔深24 m 雷管數(shù)量為4 發(fā)。接線采用孔內(nèi)并聯(lián)，孔間串聯(lián)，裝藥方式采用正向裝藥。將腳線引出藥柱使用專用花線連接延長后順爆破孔孔壁引到孔口外面。

④ 裝完藥后，雷管連接線及時(shí)扭接成短路。

為了防止爆破過程中出現(xiàn)殘炮和拒爆現(xiàn)象，采用外徑為50 mm、長度2000 mm 的凹槽爆破筒裝填炸藥，雷管腳線可以在凹槽的保護(hù)下不被拉斷，確保雷管的完好。爆破炸藥選用安全系數(shù)大于三級(jí)的煤礦許用含水炸藥，炸藥的直徑為32 mm，長200 mm。采用直徑63 mm、每節(jié)長600 mm 的黃土封泥袋進(jìn)行封孔。

3）封孔：封孔材料為GC-SFk 系列速凝封孔材料。

① 根據(jù)設(shè)計(jì)深度設(shè)置封孔器長度；

② 檢查鉆孔無問題后將封孔器送入鉆孔內(nèi)，連接注漿泵和注漿管；

③ 速凝封孔材料按水灰質(zhì)量比1:1 進(jìn)行配比，并且攪拌均勻，將漿液緩慢注入囊袋中，注漿過程中不停地?cái)嚢瑁?/p>

④ 觀察注漿壓力表，壓力達(dá)到1.5 MPa 后關(guān)閉注漿泵和止?jié){閥門；

⑤ 換注漿孔注漿或結(jié)束注漿，用清水清洗攪拌桶和注漿泵。

4）聯(lián)線：聯(lián)線方式為單個(gè)爆破孔內(nèi)并聯(lián)，孔與孔之間串聯(lián)。每次起爆1 組爆破孔，每組爆破孔的雷管腳線連接到一根爆破母線上。由爆破工本人聯(lián)母線，連接起爆器母線的一端起爆前后必須始終是短接的。

5）起爆：經(jīng)檢查無誤，采用FD200XS-B 型發(fā)爆器起爆。放炮員在距爆破孔不小于300 m 處進(jìn)行起爆，警戒地點(diǎn)、放炮員起爆地點(diǎn)的頂幫必須支護(hù)良好，無任何支護(hù)失效跡象，警戒距離不小于300 m。

6）施工工藝：敲幫問頂→施工頂板爆破鉆孔→檢查瓦斯?jié)舛?、檢查鉆孔內(nèi)氣體情況、炮眼裝藥→檢查瓦斯→爆破→檢查瓦斯通風(fēng)30 min。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

根據(jù)爆破頂板切割技術(shù)方案，進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)。93下11-2 運(yùn)輸順槽采用深孔爆破切頂卸壓后，在末采工作面距離停采線50 m 的位置采用十字布點(diǎn)法對巷道斷面進(jìn)行巷道圍巖變形監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)間為60 d，監(jiān)測結(jié)果如圖4。

圖4 圍巖變形監(jiān)測曲線圖

從圖4 中可以看出，巷道兩幫及頂板變形呈非線性增長。在0～35 d 內(nèi)，巷道兩幫變形從0 增加到約66 mm，頂?shù)装遄冃螐? 增加到約79 mm。隨后，巷道圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定?？偟膩碚f，采用爆破切頂卸壓技術(shù)后，巷道圍巖變形較小且可基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，巷道圍巖控制效果較好，滿足巷道正常使用的要求，有效保護(hù)了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）由于93下11-2 工作面采動(dòng)的影響，93下11-2運(yùn)輸順槽出現(xiàn)嚴(yán)重的變形破壞，提出了深孔爆破切頂卸壓技術(shù)。通過理論計(jì)算，確定了爆破切頂高度為45 m，切頂角度為15°，并對鉆孔布置進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)。

2）通過現(xiàn)場實(shí)施深孔爆破切頂卸壓技術(shù)后，巷道頂?shù)装遄冃渭s80.5 mm，兩幫移近量約71.8 mm，巷道圍巖變形得到有效控制，表明深孔爆破切頂卸壓技術(shù)的適用性。