综放工作面超前定向预裂切顶卸压技术研究

2019-10-11张亮

煤 2019年9期

张亮

(潞安环能股份公司漳村煤矿，山西长治 046032)

传统的采煤工艺中，相邻两个综采工作面之间通过留设区段煤柱进行护巷，煤柱宽度在20～50 m不等，该方式使大量的煤柱留在了采空区，造成了大量的煤炭资源浪费[1]。同时，随着采深的增加、邻近工作面回采的影响，区段煤柱内应力集中程度高，巷道变形大、冲击地压等地质灾害日益突出。针对这一问题，国内外学者提出了小煤柱[2-3]、无煤柱开采技术[4-5]，有效解决了区段煤柱留设造成的资源浪费问题，但巷道受动压影响变形的问题依然比较严重。本文以漳村煤矿2601工作面为工程背景，对综放工作面定向预裂切顶技术进行研究。

1 超前定向预裂切顶围岩控制基本原理

综采工作面定向预裂切顶是在上一区段工作面的下顺槽顶板，沿巷道走向全长预裂一条缝，待上一区段工作面回采后，巷道顶板在采动应力的作用下沿切缝自动垮落(图1)，切断更大范围顶板的应力传递，大大降低小区段煤柱的应力集中，从而保证窄煤柱沿空巷道处于矿山压力的卸压区，进而有效控制巷道的大变形问题，保证正常生产。

图1 工作面定向预裂切顶示意

定向预裂切顶的关键在于在设计的方向上产生裂缝，本文采用双向聚能爆破技术来实现。聚能装置是人为开槽的PVC管，聚能装置插入炮孔中，爆破过程中爆轰波将沿PVC管的弱面聚能传播，从而形成定向裂缝。

2 超前定向预裂切顶关键参数

2.1 切顶高度

切顶高度是切顶卸压的关键之一，必须保证爆破及顶板垮落后充满采空区，上覆岩层在垮落矸石有效支撑作用下，岩层移动变缓，最后逐渐趋于稳定。切顶高度计算公式可由(1)式确定：

(1)

式中：Hm为切顶高度，m；hi为顶板分层厚度，m；M为采高，m；Kp为垮落矸石碎胀系数。

2.2 切顶角度

切顶角度太小不利于钻孔施工，太大会造成悬顶距离过长，切顶效果较差。采用3DEC数值模拟软件，以漳村煤矿2601综采工作面地质条件为基础(埋深500 m，四周均施加水平位移约束，底部施加固定约束，上部施加11.25 MPa的均布载荷模拟上覆岩层，侧压系数λ=1.1)，分别对切顶角度为5°、10°、15°条件下上覆岩层的运移规律和巷道围岩变形特征进行了模拟，如图2所示。

整体来看，预裂爆破切顶角度对上覆岩层切顶两侧的垮落变形影响较大，但均起到了切断窄煤柱上方岩层与采空区岩层的连接。切顶角度为5°时，采空区上覆岩层垮落后与窄煤柱上方岩层由固结变为铰接结构，岩层间的相互摩擦力和水平铰接力起主导作用。由于水平铰接力的存在，使得采空侧岩层与窄煤柱上方形成三角稳定结构，压力得不到有效释放。切顶角度为10°、15°时，更加有利于采空侧顶板的切落，在窄煤柱上方形成短悬臂结构。切顶两侧岩层下沉位移量相差很大，呈现出断崖式增大，表明采空侧被切落的老顶与窄煤柱上方老顶间无摩擦铰接力的作用，直接断裂接底。

2.3 爆破参数

1) 炮孔间距。切顶卸压炮孔间距是由单孔爆破预裂裂缝的扩展长度所决定的，相邻两个炮孔所预裂的裂缝要实现贯通，因此炮孔间距可由式(2)求得：

L=2×(Rp+Rc+rb)

(2)

式中：Rc为压碎区，m；Rp为裂隙区，m；rb为钻孔半径，m。

2) 装药量。装药量与岩石性质和炸药特征有直接关系，切顶卸压炮孔采用连续不耦合装药，装药量可由式(3)求得：

(3)

式中：ρ0为炸药密度，kg/m3；db为炮孔直径，m；De为径向不耦合系数。

3 超前定向预裂切顶卸压工程应用

3.1 工程背景

漳村煤矿目前回采2601工作面，为充分回收煤炭资源，邻近工作面2603与2601之间仅留设10 m的区段煤柱。为降低2603运巷的巷道变形，提出在2601工作面风巷实施超前切顶卸压技术，切断2601风巷顶板与2601工作面采场直接顶、基本顶的联系，在周期来压作用下采场顶板沿预裂面切落，减少残余顶板的悬露长度，将巷道围岩应力转移到深部，改善2603运巷围岩应力环境，有效控制巷道变形。

3.2 施工参数

根据2601工作面综合柱状图分析，取垮落矸石碎胀系数为1.3，采高6 m，代入式(1)计算断顶高度Hm=20 m，同时根据数值模拟结果，设计炮孔角度向2601工作面方向偏转10°。为确保预裂爆破充分发挥作用，炮眼在爆破之后能够按照要求切顶，爆破钻孔距离煤柱1 m，钻孔孔径为50 mm，钻孔间距为1.5 m，如图3所示。

工作面炮孔钻机采用ZLJ-600煤矿用坑道钻机2台，并配备D48 mm钻头和D42 mm钻杆。切顶爆破聚能装置的炸药管外径为40 mm，壁厚2～3 mm，每段2 m，180°对穿打孔，孔径为4 mm，间距8 mm，炸药采用满足煤矿瓦斯等级的矿用乳化液炸药，药卷直径35 mm，如图4所示。

图3 爆破钻孔布置

图4 聚能管结构示意

3.3 应用效果

巷道的变形量是巷道围岩应力环境的直观体现，通过在2603运巷50 m、100 m、200 m布设表面位移观测点，连续60多天对巷道变形量进行观测，观测结果如图5。

由图5可知，巷道在前30 d内变形量较大，在30 d过后就逐渐趋于稳定，变形量在200～300 mm之间，整条巷道的变形得到有效控制。与25采区同类巷道相比，巷道未出现帮鼓、底鼓、断锚杆等现象，证明2601风巷超前预裂切顶技术很好地将采场上部应力转移到了2603工作面的深部，保证了2603运巷的巷道成形，应用效果良好。