基于切顶卸压技术的强矿压巷道断顶降压研究

2020-07-15张鹏程

山西冶金 2020年3期

张鹏程

（山西西山煤电股份有限公司马兰矿，山西古交 030205）

1 工作面概况

8204-2 工作面为两巷布置，工作面位于8 号煤采区右翼，工作面两巷均开口于8 号煤皮带下山，停采线东北侧实体间隔50 m 为南八轨道运输大巷；工作面走向长950 m，倾向长200 m，工作面采用走向长壁后退式一次采全高的综合机械化采煤方法，采用全部垮落法管理顶板。工作面所采煤层为二叠系下统山西组8 号煤层，属近水平至缓倾斜稳定可采厚煤层，煤层厚度4.40~6.40 m，平均5.98 m，含一层稳定夹矸，结构0.27（0.19）2.52，煤层普氏硬度2.2。老顶为粗粒砂岩，浅灰色，成分以石英为主，缓波状层理发育，含泥质包裹体，普氏硬度6.0，平均厚度为4.2 m，直接顶为泥岩，深灰色，含炭质较多，夹条带状细砂岩及黄铁矿结核，普氏硬度4.5，平均厚度为1 m，直接底为高岭岩，黑灰色，夹有镜煤透镜体，层面含炭质，普氏硬度6.5，平均厚度为1 m，老底为含砾粗砂岩，灰色，主要由石英组成，具不明显微波状层理，局部相变为粉砂岩及粗砂岩，普氏硬度6.0，厚度为4.25~9.44 m，平均为7.34 m。根据2018 年11月国家安全生产矿用安全仪器检测检验中心对煤样化验知：8 号煤挥发分25.64%，自燃倾向性等级为Ⅱ类，为自燃煤层，自燃发火期为4 个月，火焰长度20 mm，具有爆炸性。

2 顶板断裂形式分类

一般工作面顶板断裂分两种形式：

1）顶板在煤柱上方断裂，如图1-1 所示。如果顶板断裂位置在煤柱上方，则煤柱作为岩梁一端的承载基，必然受力集中，煤柱塑性区范围大，留设煤柱尺寸也就相应的大，浪费煤炭资源[1-3]。

2）顶板在采空区上方断裂，如图1-2 所示。当顶板断裂线位于采空区上方，则煤柱上方顶板为一悬臂梁结构，悬臂梁受力完全作用在煤柱上，同样煤柱塑性区范围大，需要留设较大的煤柱[4-5]。

图1 顶板断裂位置图

采用聚能穴定向爆破对顶板侧向切断的办法可以减小煤柱内的应力集中现象。如图1 所示，将顶板沿巷道上方切断，避免左右两侧岩梁的“拉扯”作用而造成的煤柱应力集中，可以减小煤柱尺寸留设[6-7]。此外，由于顶板切断，应力集中转移程度减小，下一个工作面的顺槽巷道帮鼓和底鼓现象也会有所缓和。

3 强矿压危险因素分析

针对8204-2 工作面特殊地质赋存条件，下面分别从地质和开采技术因素两方面对各主控影响因素进行危险性分析。

1）地质构造。工作面两顺槽巷在掘进过程中共揭露正断层21 条。其中2204-2 巷揭露14 条正断层，落差在0.1～5.8 m 之间，其中落差大于3 m 的断层有1 条。5204-2 巷揭露7 条正断层，落差在0.3～4.1 m 之间，落差大于3 m 的有2 条，具体如图2 所示。当工作面推进至断层附近时，工作面和断层间煤体应力集中引起断层附近顶板的剧烈运动，释放大量能量，导致巷道严重变形，给人员和设备造成安全风险。

图2 工作面断层分布图

2）煤层厚度及其变化。3 号—5 号层为稳定可采煤层，煤层走向近似东西，属于南高北低的单斜构造，倾角1°～3°，平均2°，近水平煤层，可利用厚度4.40~6.40 m，平均5.98 m，如图3-1。沿工作面走向，煤层厚度整体变化表现由厚变薄，再变厚，其中5204-2 巷侧煤厚变化程度要大于2204-2 巷。据相关统计分析，矿压显现程度与煤层厚度及其变化紧密相关，在煤层厚度突然变薄或者变厚处，往往伴随着强矿压显现，图3-2 为工作面煤厚相对均值变化图。

图3 工作面煤厚分布及煤厚变化图

3）留底煤厚度。8204-2 工作面煤层厚度大，整体受F13810 大断层切割，且局部发育有较多的小断层，因此，巷道掘进留底煤情况普遍，且局部底煤厚度较大，在工作面回采过程中，当巷道两侧的高集中应力传递到底煤区域时，将形成高应力集中区，在采动应力影响下，巷道底板的平衡状态被打破，此时易诱发强矿压显现，图4 为工作面两巷留底煤厚度图。

4 切顶卸压技术应用

4.1 动压影响巷道断顶卸压理论分析

工作面侧向切顶需采用“聚能定向爆破”的方式进行，传统的爆破方式与聚能穴爆破最大的差异就是裂隙扩展方向不可控，如图5-1 所示为传统的深孔爆破，其效果是将岩石向炮孔四周崩出裂隙，而图5-2 为聚能定向爆破，可使爆破产生的主裂隙按指定方向进行扩展。

图4 工作面两巷留底煤厚度图

图5 普通深孔爆破与聚能定向爆破裂隙对比

传统的普通爆破不能胜任工作面侧向切顶工作，因为传统爆破裂隙像四周扩展，且扩展程度未知，很可能将巷道上方顶板随机炸断，造成回采巷道支护失效，极易造成伤人事故。

聚能定向爆破是在炸药被筒上留设有聚能槽，当炸药起爆后，产生的高温高压的爆轰产物会优先沿着聚能槽的方向释放，即大部分能量朝着给定方向，可按照设定方向对岩石拉裂成缝，将岩石切断。正是由于聚能爆破具有上述特征，可采用该手段顶板可沿顺槽走向切断。

4.2 断顶卸压方案的设计

根据井下工作面回采煤层厚度，按力学理论公式计算后，顶板应爆破处理高度，具体爆破参数需研究后确定，因此需采用侧向切顶的位置如下页图6所示，在井下工作面回采时，沿着图中侧向切顶线处施工一组炮孔，将顶板切断，深孔与浅孔位置参数如图7 所示。

图6 侧向切顶位置图

图7 侧向切顶炮孔位置图

4.3 经济效益分析

1）投入。钻工施工费：主要为人员费，每个班配3 名工人，每天按施工12 个孔计算，800 个孔需2 个月完成，工人工资按6 000 元/月算，人员费投入约3.6 万元；爆破火工用品：按炸药6 000 元/t，雷管3元/个，每个炮孔消耗火工用品约250 元，1 200 m 巷道的火工用品投入约20 万元；爆破筒、炮棍等材料：按每个孔消耗约150 元算，大约800 个孔共需投入材料费约12 万元（合计35.6 万元左右）。每米巷道刷帮、卧底等人工费：巷道维修每班投入约12 人，每天维修10 m 巷道，则1 200 m 巷道需投入人工成本约28.8 万元。锚杆、钢筋托梁、锚索、网成本：按每米巷道补打3 套锚杆、每2 m 补打1 套锚索，网片4 m2，则折合每米巷道成本约800 元，1 200 m 巷道成本约96 万元。锚固剂材料等：每米约400 元，1 200 m巷道成本约48 万元。

2）收益。可节省如下巷道维护成本约300~500万元。

此外锚杆钻孔施工、材料运输、卧底矸石拉运等成本无法估算。此外，如果缩小煤柱后可多创收几千万元。