连晓阳

（山西焦煤西山煤电（集团）有限责任公司，山西 太原 030053）

我国具有坚硬顶板煤层条件的矿井占矿井总数的1/3左右，同时我国每年地下开采的厚煤层煤炭产量占煤炭总产量的45%以上。特厚煤层综放工作面产量高，工作面回采期间矿压显现也较为剧烈，当工作面初采悬顶面积大时，大面积的顶板突然垮落造成的危害也更为严重，煤层采出后在后方形成较大面积的悬顶，一旦垮落易造成较大事故，破坏力极强［1-2］。解决坚硬顶板垮落风险的有效途径重点在于解决超前和侧向支承压力传递和聚集［3-4］。

许多研究学者针对坚硬顶板预裂爆破切顶卸压技术进行了研究。穆效治［5］针对沙坪坝煤矿18028工作面预裂爆破方案制定了合理的技术参数，取得了良好的切顶卸压效果。李慧斌［6］针对超前深孔预裂技术的各项施工工艺进行了深入研究。马伟［7］分析了水力弱化及爆破弱化两项技术的优缺点。斜沟矿23111工作面拟采用预裂爆破切顶技术进行顶板卸压，为此，依据23111工作面具体条件及工程经验，设计了预裂爆破技术参数，并对预裂爆破效果进行观测、分析。

1 工程概况

斜沟矿23111工作面平面布置如图1所示，煤层顶底板岩性如表1所示。工作面采用放顶煤开采方法，采高3.6 m，放煤高10.75 m，采放比为1∶2.99，放煤步距为0.8 m，材料巷沿底板布置。

表1 煤层顶底板岩性

图1 23111工作面布置

斜沟矿13#煤层硬度大，抗压强度平均达到25 MPa以上，最高达到36 MPa。煤层顶板为砂质泥岩及中粒砂岩顶板，坚硬稳定，采用综放开采时，顶煤顶板难以垮落。随着采区内煤炭资源的不断减少，孤岛工作面不断增加，煤巷掘进工作面迎采空区掘进的情况增多，受临近采空区影响，采煤工作面顺槽在采掘期间矿压显现强烈。例如：23101工作面回采期间，对近1 300 m材料巷顶板、两帮进行“锚索带”加强支护，补强消耗材料（锚索和钢带）费用达300万元，且施工工作严重影响了工作面正常回采速度，工作面初采初放效果差、资源浪费严重。但受采动影响，材料巷依然压力大、变形严重，难以维护。 上述问题的关键在于顶煤顶板难以垮落造成，已经严重影响矿井的高产高效，有必要采用预裂爆破技术切顶卸压、沿空留巷。

2 深孔预裂爆破设计

根据斜沟矿23111工作面具体地质条件和相似工作面工程经验，设计预裂爆破技术参数。

1）切眼爆破孔布置

在开切眼内布置1排炮眼，方向与顶板垂直，根据相似工作面工程经验，炮孔间距取1.75 m，炮眼共115个。

2）工作面端头爆破孔布置

在工作面端头距离煤柱帮4 m处布置1排炮眼，方向与顶板垂直，根据相似工作面工程经验，炮孔间距取0.8 m，炮眼共63个。

3）聚能药管

由于施工作业点位于工作面切眼和端头，在回采工作面和顺槽实施爆破，需符合《煤矿安全规程》要求。采用轴对称开缝式聚能药管，聚能药管外径为ϕ40 mm，壁厚不小于2 mm，每段1.5 m；采用三级煤矿乳化炸药，药卷ϕ35 mm，每段长度200 mm。

4）炮眼深度

为保证切顶卸压效果，炮眼需打穿老顶中粒砂岩，工作面放煤厚度为10.75 m，直接顶厚度为1.97 m，老顶厚度为4.91 m，为了实现交叉装药，相邻两孔深度不同，炮眼深度为17 m和17.5 m，钻孔直径42 mm，采用切顶钻机进行钻孔作业。

3 预裂爆破效果观测与分析

截至2018年11月10日，23111工作面累计推进2 200 m，开切眼内预裂爆破切顶卸压施工一次计247 m，工作面两顺槽预裂爆破切顶卸压施工一次计2 200 m。

3.1 预裂效果钻孔窥视

当工作面端头开展切顶作业后，在380号钻孔与381号钻孔间施工一个18.53 m窥视钻孔，对工作面端头深孔预裂效果进行了窥视，分析窥视结果可知：

（1）孔深0～11 m、14～16 m范围孔壁完整，无裂隙带。

（2）孔深11～14 m范围孔壁相对完整，裂隙较发育，爆破效果一般。

（3）孔深16～18 m范围岩层被爆破后挤压为松散体，孔壁裂隙发育，爆破效果最好。

（4）两个爆破孔影响半径均大于0.5 m，爆破孔间距为0.8 m时，两孔之间爆破后裂隙会完全导通，孔深11～14 m、16～18 m时顶板岩层裂隙发育较好，爆破效果较好，切顶卸压效果较好。

3.2 初采初放期间矿压分析

23111工作面初采初放期间初次来压步距、周期来压步距、来压期间支架最大载荷及动载系数如表2所示。

表2 23111矿压显现参数

23111工作面与邻近未采取预裂爆破切顶的23107综放工作面初采初放期间初次放煤步距、初次来压步距、来压期间最大载荷及动载系数对比如表3所示。

表3 23111与23107初采初放期间对比

由表2和表3可知，由于23111工作面采取预裂爆破方式对顶板进行切顶卸压，23111工作面初次来压步距比23107工作面提前了11.1 m，动载系数降低0.34，最大载荷降低了6 MPa。相比较未进行预裂爆破切顶卸压的23107工作面，切顶卸压后，23111工作面来压步距及放煤步距均有不同程度减少，卸压效果较为显著。

3.3 临近工作面切顶卸压效果观测与分析

23111工作面皮带巷采用预裂爆破切顶卸压措施后，对临近23109工作面材料巷掘进期间的变形状况进行了监测，监测结果如图2所示。

图2 巷道断面巷道位移折线

由图2可知，23109材料巷两帮最大移近量为35 mm，顶板最大下沉量为16 mm，底板最大底鼓量为14 mm。巷道顶底板及两帮变形量都较小，变形量主要集中在测站距离迎头50 m范围内。经过分析认为，巷道开挖初期，围岩应力重新分布，在此期间，巷道变形量较大，变形速度也较快，此后随着巷道的掘进，受23111工作面切顶卸压影响应力重新分配，巷道变形量趋于稳定。由此可见，23111工作面端头预裂爆破切顶卸压效果明显。

在23109工作面材料巷940 m处设置一组测站，用来监测支护锚杆、锚索载荷变化情况，通过提取测站数据绘制锚杆、锚索拉应力变化如图3所示。

图3 锚杆应力折线

斜沟矿巷道支护锚杆采用ϕ22 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，其屈服力为151.98 kN，杆体材料预紧力合理范围值为45.59～75.98 kN。通过监测数据可得，安装锚杆存在个别预紧力施加不足的情况。施加预紧力后，锚索的轴向力分别为205.67 kN和148.09 kN，顶部锚杆轴向力分别为45.84 kN、49.59 kN、67.83 kN、46.40 kN、39.09 kN、54.10 kN、38.99 kN，帮部锚杆轴向力为39.73 kN、69.64 kN、37.99 kN和42.64 kN。分析可知，锚杆受力变化规律和巷道变形规律基本一致，变化主要集中在测站距离迎头50 m范围内，切顶卸压后的应力重新分配，锚杆索受力也趋于稳定。

图4 锚索应力折线

4 经济效益分析

4.1 初采初放期间煤炭资源

采用预裂爆破切顶技术后，初次放煤步距提前26 m，则工作面初采初放多采出顶部煤炭约0.069 Mt，按照原煤300元/吨计算，初采初放顶煤增加收入2 070万元。

4.2 工作面两端头煤炭资源

采用预裂爆破切顶技术后，机头机尾增加地放煤量按照1个支架计算，每循环增加2个支架顶煤，根据工作面长度可以计算得到多回收煤0.087 89 Mt，增加收入2 636.7万元。

4.3 临近巷道维护费用

沿空掘进巷道是斜沟矿施工条件最为复杂困难的巷道类型，采取不同维护方式取得的效果完全不同，23109材料巷在23111工作面进行切顶作业后，巷道保持了良好的稳定性，不用维护即可满足应用，节约支护材料费用达300万元。

表4 工作面巷道不同维护方式效果对比

5 结论

1）根据工作面现场条件，确定了相关预裂爆破参数。采用深孔预裂爆破后，23111工作面初次来压步距比23107工作面提前了11.1 m，动载系数降低0.34，最大载荷降低了6 MPa。相比较未进行爆破预裂切顶的工作面，切顶卸压后工作面来压步距及放煤步距均有不同程度减少，卸压效果较为显著。

2）深孔预裂后，通过监测巷道变形及锚杆受力数据，临近巷道压力状况得到明显的改善，保持了巷道围岩较好的稳定性，巷道不用维护完全能够满足使用，大幅度降低了同类型巷道大面积维护的费用，应用效果良好。