綜采放頂煤工作面風巷深孔預裂爆破切頂卸壓技術應用分析

文/程東峰（蘆嶺煤礦）

一、工程概況

蘆嶺煤礦是淮北礦業集團下屬生產礦井，目前回采的Ⅱ888 綜放工作面處于二水平Ⅱ88 采區，位于Ⅱ88 采區西翼，西為蘆嶺與朱仙莊井田邊界保護煤柱線，北部為Ⅲ842 工作面（未準備），東為F14 斷層保護煤柱線，南為Ⅱ886-1 工作面采空區。地面標高為22.6～23.6 米，工作面標高為-537.0～-451.2 米，煤層厚3.3～15.2 米，平均為9.8 米，走向長（平距）為458.2～493.5 米，平均為475.8 米，煤層傾角為12～32°，平均為23°。Ⅱ888 綜采放頂工作面煤層賦存較穩定，結構復雜。8 煤，黑色，鱗片狀，半亮型。8 煤層厚1.0～18.4 米，平均為9.1 米，工作面東北部（收作線附近）發育有2 層夾矸，每層夾矸平均厚0.8 米，向西南部逐步尖滅，巖性主要是泥巖- 碳質泥巖。工作面煤層整體呈兩端厚、中間薄和由上向下逐漸變薄發育趨勢。Ⅱ888 綜采放頂工作面煤層頂底板情況如表1 所示。

表1 Ⅱ888 工作面煤層頂底板情況

Ⅱ888 綜采放頂工作面風巷窄煤柱沿空掘巷，跟8 煤底板施工，采用三心拱U 形鋼棚+錨索梁+鎖腿梁支護，棚距均為600 毫米。該巷道圍巖受上區段工作面采動影響（側向支承壓力），圍巖變形強烈、破壞范圍大，極易出現底鼓、幫部移近量大等問題，同時受本區段工作面采動影響（超前采動應力+本工作面側向支承壓力），小煤柱變形嚴重，導致巷道圍巖控制極其困難，巷道變形嚴重，支護難度大。

二、切頂卸壓技術原理

上區段工作面煤體被采出后，上覆頂板相繼垮落，在下區段巷道側形成相互鉸接的弧形三角塊，在礦山壓力作用下，以煤柱側斷裂線位置為支點產生旋轉下沉，對煤柱產生附加載荷作用，嚴重影響煤柱和沿空巷道穩定性。

Ⅱ866-1 工作面回采結束后，基本頂斷裂位置在煤柱上方并偏向Ⅱ888 工作面。Ⅱ888 工作面回采后，其基本頂砂巖（層厚4.35 米）發生破斷旋轉，Ⅱ888 工作面采空區碎脹矸石與區段煤柱共同承擔上覆巖層重量。為削弱上覆巖層破斷回轉對區段煤柱的附加載荷，優化沿空巷道煤柱的頂板承載結構，確保巷道的穩定性，在采取預裂爆破過程中，盡可能把上區段Ⅱ866-1 工作面采空區頂板與Ⅱ888 工作面風巷頂板之間的約束降低，以降低頂板巖層間的應力傳遞，降低實體側煤幫和煤柱內的應力，從而優化應力環境。為弱化Ⅱ888 工作面傾向方向基本頂之間的約束程度，提出在Ⅱ888 風巷內靠近區段煤柱側實施頂板深孔預裂爆破（偏向Ⅱ866-1 工作面采空區）的技術方案，如圖1 所示。

圖1 Ⅱ888 風巷煤柱側切頂卸壓方案

設計在Ⅱ888 風巷內實施頂板深孔預裂爆破（偏向Ⅱ866-1 工作面采空區），角度為10～15°。預裂爆破后，減小上區段采空區側向懸頂長度，而且切落矸石會對更上位的巖層起到一定的支撐作用，使得小煤柱應力集中得到緩解；同時，降低了Ⅱ866-1 工作面采空區頂板與Ⅱ888 工作面之間的約束程度，頂板巖層間的應力傳遞被減弱，改善窄煤柱護巷圍巖應力環境，使得窄煤柱護巷圍巖變形得到有效控制。

三、預裂爆破方案

Ⅱ888 工作面目前已正常生產。Ⅱ888 工作面風巷可采長度為467.8 米，根據礦井工期安排及支承壓力影響范圍和煤層頂板賦存特點，第一次預裂爆破超前工作面切眼200 米施工，施工范圍為100 米，即從風7 點至風4 點，具體如圖2 所示。

圖2 預裂爆破施工范圍

選擇預裂爆破試驗段的范圍為超前工作面切眼200 米位置，此范圍頂板厚度變化較小，第一次施工時鉆孔較好控制。切頂高度控制在8 煤層頂板第2 層硬巖層底板，開孔位置位于巷道頂板，距離小煤柱幫部1米（考慮鉆機的擺放位置，可根據現場實際情況合理調整），切頂角度偏向Ⅱ866-1 工作面采空區方向15°，即鉆孔的仰角設計為75°，炮孔長度為32 米，切頂間距為8 米，垂直于Ⅱ888 工作面風巷區段煤柱側巷幫施工，具體布置如圖3 所示?，F場預裂爆破施工期間，可根據現場打鉆情況，合理調整預裂爆破參數，確保安全施工。

設計Ⅱ888 風巷預裂爆破施工范圍，不同位置巷道頂板賦存條件不同，具體如圖4 所示，從圖中可以看出，頂板厚度變化較大。以Ⅱ888 綜采放頂工作面E-E′剖面圖（機巷距切眼324.3 米）為剖面進行方案設計。

根據實際現場施工經驗，超前深孔預裂松動爆破時，封孔長度一般取炮孔深度的25%～40%，且不低于10 米，同時，由于鉆孔穿煤層施工，封孔位置必須超過8 煤層5 米以上，設計炮孔斜長32 米，封孔長度13米，裝藥長度19 米。裝藥量按照（炮眼深度- 封堵長度）×3.3 千克計算，具體爆破參數如表2 所示。

表2 炮眼布置參數

Ⅱ888 風巷預裂爆破施工，第一次施工范圍為48米，炮孔間距平均為8 米，約6 個鉆孔。由于Ⅱ888 工作面為綜采放頂工作面，為避免一次性放炮數量多對頂煤瓦斯造成較大擾動，具體施工時，采用施工1 個炮孔爆破1 個的方式，預裂爆破預計共需爆破6 次。后期再施工預裂爆破時，根據前期的爆破經驗，一次性放炮數量可根據現場情況合理增加。

預裂爆破現場施工炮眼，采用ZDY-3200 型鉆機，以提高施工效率，鉆孔角度、鉆孔深度需嚴格按照設計方案執行?？紤]到施工工期以及與工作面回采的平行作業問題，Ⅱ888 工作面試生產后，具備施工鉆孔條件時，即可施工，以確保鉆孔施工期間，單軌吊等運輸作業影響最小。

炸藥選用直徑63 毫米的煤礦許用水膠藥柱。炮孔裝藥采用正向裝藥方式，配合使用導爆索。根據炮孔角度防止藥管下墜，需裝入防滑鋼絲，如圖5 所示。最后裝入炮頭。由于鉆孔施工需要穿過8 煤層，穿煤層部分需要下套管護孔，防止裝藥時塌孔，影響炸藥安裝，同時要確保鉆孔內光滑，防止有大塊矸石堵塞炸藥，影響安裝。使用人工裝藥方式，用探孔管送藥，一次不超過6 米。炮孔施工完畢后，裝藥，炮頭線接頭短路。裝好一個用水泥注漿封一個孔。

圖5 防滑藥柱

淮北礦區深孔預裂爆破使用的炸藥為安徽雷鳴科化有限責任公司生產，需配合導爆索施工，如圖6 所示。

圖6 預裂爆破使用的水膠炸藥

炮頭制作方法是：先將藥筒的內絲蓋子用老虎鉗拔出，在蓋子或管體側面鉆一個5 毫米的孔用于穿放炮導線，將放炮導線穿入該孔中，打結。再將兩發電雷管腳線剪掉只保留20 厘米長，分別與膠質放炮線各連接一發電雷管，為防止短路和斷路，其接頭先用絕緣膠帶裹緊，再用自粘膠帶裹緊包扎防水。具體裝藥結構如圖7 所示。

圖7 正向裝藥水泥封孔結構示意圖

封孔器材與封孔工藝采用“一堵一注”或“兩堵一注”封孔工藝?，F場注漿封孔，采用礦用專用注漿封孔材料，利用注漿泵向囊袋內注入漿液，注漿壓力控制在1.6～2 兆帕。待返漿管返漿后，將返漿管扎牢。注漿凝固24 小時后起爆。

四、現場效果

對Ⅱ888 風巷為超前工作面切眼200 米位置進行深孔預裂爆破切頂卸壓，并對風巷采用“十字”布點法（布點間距50 米），進行為期48 天的巷道頂底板及兩幫移近量觀測。比對預裂爆破前后巷道礦壓顯現變化，如圖8、圖9 所示，分析頂板深孔預裂爆破對頂板周期來壓步距、來壓強度的影響。

圖8 預裂前曲線圖

圖9 預裂后曲線圖

由圖8、圖9 可知，風巷巷道頂板礦壓逐步放緩，說明深孔預裂爆破切頂卸壓有效改變了頂板上方圍巖的應力分布，應力集中得到緩解，巷道頂板巖層間的應力傳遞被減弱，改善了窄煤柱護巷圍巖應力環境，使圍巖變形得到有效控制。

五、結語

本文針對蘆嶺煤礦綜采放頂煤工作面巷道超前壓力影響范圍大、維護困難等問題，提出工作面頂板深孔爆破卸壓技術研究，結合現場條件確定了鉆孔參數、爆破參數，并進行了現場實驗。減?、?88 工作面回采對區段小煤柱、采動應力對沿空巷道（風巷）的影響，實現工作面安全回采。實驗結果表明：深孔爆破卸壓后，工作面風巷應力集中得到緩解，頂板巖層間的應力傳遞被減弱，改善了窄煤柱護巷圍巖應力環境，圍巖變形得到有效控制。