宁瑞峰

（山西西山煤电股份有限公司西曲矿，山西 古交 030200）

西曲矿目前主采8#煤层，平均厚度3.95 m，直接顶、基本顶主要为岩性坚硬的石灰岩、中粒砂岩。南四盘区南部18403 工作面与18403 工作面瓦斯治理巷Ⅰ段相邻，二者之间的保护煤柱宽度为16 m。随着相应工作面的向前推进，18403 工作面瓦斯治理巷I 段出现显著变形破坏。由此可知，所留设煤柱不能很好地平衡相邻工作面动压扰动，继续加宽煤柱会造成资源的大量浪费，加之顶板岩层坚硬，因此探索在18403 运输顺槽采用切顶卸压定向爆破技术，可有效减弱或消除相邻工作面动压影响。

1 工程概况

18403 工作面位于南四盘区，北与18404 工作面采空区相邻，南与正在开采的18401 工作面相邻，东与南983 运输大巷相邻，西与永树曲村村庄煤柱相邻。工作面上覆4#煤14402、14403 采空区，层间距为52～60 m。2.3#煤12403、12404 和12405 采空区，层间距为65～70 m。靠近切眼西南部170 m处和360 m 处上覆永树曲矿、华山矿2.3#、4#煤小窑破坏区，预计工作面回采后对相邻巷道及工作面无影响。工作面布置图如图1 所示。

图1 18403 工作面布置示意图

8#煤层顶板局部具有泥岩伪顶，厚度为0.40 m；直接顶岩性为石灰岩，厚度为2.40 m，普氏系数为10.56，抗压强度为101.89 MPa；直接底岩性为细粒砂岩，厚度为1.54 m，抗压强度为55.89 MPa。

2 切顶卸压设计

2.1 切缝设计原则

通过双向聚能爆破预裂技术，可以把炸药装入设定好方向的聚能管当中，受聚能作用影响，起爆后的炸药能够达到在未设定方向上使得炮孔周围的岩石受压均匀的目的。与此同时在设定好的方向上被爆破岩石能够受到集中受拉作用，由于岩石具有抗压强度大而抗拉应力小的特点，可以达到被爆破岩石能够在设定好的方向上被张拉断裂成型的目的。

双向聚能爆破预裂技术结合了聚能爆破和定向爆破的优势，具有施工便捷、爆破效果良好、炸药消耗量少等特点。在聚能效应的作用下，爆轰产物可以在两个设定好的方向上产生聚能流，形成集中张拉作用，产生良好的断裂面。并且通过聚能管还可以对周围岩石进行保护，降低周围岩石受爆破影响程度，既能够达到爆破预裂的技术效果，也可以相对保护正在使用巷道顶板的稳定性。

预裂切缝深度临界设计公式如下：

式中：ΔH1为顶板下沉量，m；ΔH2为底板底鼓量，m；K 为围岩膨胀系数，通常取值1.4～1.5。

考虑顶底板岩性均较为坚硬，K 取平均值1.45，不将顶板围岩下沉、底板底鼓纳入考虑范畴，工作面采高为4.0 m，可以得出切缝深度为8.9 m。根据《无煤柱自成巷110 工法规范》，合理预裂切缝深度设计一般大于2.6 倍的采高，即10.4 m。综合现场顶板岩性及其厚度，为保证K2 石灰岩能够切断，设计切顶深度为12～14 m。此外，为减小回采工作面顶板垮落时对顺槽顶板的摩擦力作用，使得切缝顶板更易于垮落，设计切缝孔偏向回采工作面与铅垂线呈一定夹角。

2.2 切缝设计参数

18403 工作面运输顺槽宽4500 mm，高3500 mm，掘进断面积15.45 m2，净断面积14.62 m2。支护方式为锚杆支护，顶锚杆采用矩形支护布置形式，间排距为1200 mm×1200 mm；帮锚杆采用五花形支护布置形式，间排距为1000 mm×1200 mm，靠近顶板的第一根帮锚杆距顶板600 mm；顶板裂隙发育区段挂钢筋网，钢筋网尺寸1200 mm×3800 mm；两帮滚帮区段挂铁丝网，铁丝网尺寸2300 mm×4000 mm。

考虑运输顺槽皮带影响，皮带宽度1200 mm，距回采帮900 mm，因此切缝钻孔可布置于巷道中心线，切顶深度12～14 m，切顶孔偏向回采工作面与铅垂线呈0～5°夹角，切缝孔间距500 mm。

此外，为保证预裂切缝期间巷道围岩稳定性，采用液压单体配合长度为3.2 m 的π 形梁对巷道顶板进行补强支护，沿巷道走向方向采用一梁三柱布置形式，液压单体排距1200 mm，液压单体紧邻皮带边缘布置。18403 工作面超前支护距离较原先增加10 m。

切顶孔布置及临时支护断面图如图2 所示。

图2 切顶孔布置及临时支护断面图

2.3 炮孔装药参数

双向聚能管的外径为42 mm，内径为36.5 mm，管长为1500 mm。炸药选用规格Ф35 mm×200 mm的三级矿用乳化炸药，用炮泥对爆破孔口进行封孔。切顶高度12 m，每孔布置7 根聚能管，每根聚能管长度1500 mm，采用4+3+3+3+2+2+1 的装药方式。图3 所示为双向聚能爆破预裂装药结构示意图。

图3 双向聚能爆破预裂装药结构示意图

3 现场切顶卸压试验

井下现场采用DCA-45 型自动成巷超前切缝钻机，钻头采用直径Ф50 mm 专用钻头，按照钻孔间距500 mm，与水平面呈85°夹角进行施工。图4所示为DCA-45 型自动成巷超前切缝钻机。

图4 DCA-45 型自动成巷超前切缝钻机

图5 BTC-1500 型聚能管

完成爆破钻孔施工作业后，按照图3 所示的装药结构，将BTC-1500 型聚能管装入爆破钻孔，聚能管必须捅入钻孔孔底。图5 所示为BTC-1500 型聚能管。

4 应用效果

（1）18403 工作面来压步距监测

通过工作面支架在线监控系统，18403 工作面周期来压步距由之前的21 m 左右，减小为15 m 左右。

（2）18403 工作面瓦斯治理巷Ⅰ段顶底板离层监测

在18403 工作面瓦斯治理巷Ⅰ段中每隔50 m布置顶板离层仪进行监测，通过进行为期2 个月的连续监测，巷道顶底板及两帮未发现显著变形破坏。对顶板离层仪数据进行分析，顶板总离层量稳定在30 mm 左右，表明本次切顶护巷参数合理，取得的效果十分显著。

5 结语

通过在18403 工作面运输顺槽应用切顶卸压定向爆破技术，有效地阻断坚硬顶板上覆岩层应力传递，减小采动对18403 工作面瓦斯治理巷的影响。实践中，18403 工作面瓦斯治理巷再未出现明显变形破坏，表明该技术达到了减弱或消除18403 工作面瓦斯治理巷受坚硬顶板条件下18403 工作面采动影响的目的，对于西曲矿8#煤层其他类似地质条件的工作面具有积极的推广意义和经济价值。