煤矿井下切顶卸压围岩支护方案的研究

2020-09-08宋雷庭

山西化工 2020年4期

宋雷庭

(山西长平煤业有限责任公司，山西高平 048400)

引言

煤矿井下支护稳定性直接关系到煤矿综采作业效率和综采安全，井下的支护稳定性受多重因素的影响，特别是在综采作业深度不断增加、巷道地质条件愈加复杂的情况下，传统的单纯依靠加强支护的方案已经无法满足综采作业效率日趋提升的需求[1]，因此如何保证在不增加支护周期、支护成本的情况下提高围岩支护稳定性，便成了各煤炭生产企业不断探索的核心问题。针对现有煤矿井下围岩结构支护稳定性差，易垮落，影响井下支护稳定性的现状，本文提出了一种新的井下切顶卸压围岩支护方案，其采用了聚能拉伸爆破方案，即能够对顶板和围岩的有效切割，切断矿压波动的传递途径而且还能实现定向爆破切割，确保巷道顶板的稳定性，根据实际应用表明该方案能够将巷道围岩两帮的变形量降低69.4%以上，显著的提升了煤矿井下巷道围岩的支护稳定性和综采作业效率，具有较大的应用推广价值。

1 巷道围岩变形机理分析

为了对煤矿井下巷道围岩的变形原因进行分析，以典型复杂深层采区综采巷道地质结构为研究对象，该巷道的埋深约为710 m，综采面的长度约为207 m，采用了大采高机械综采方案，顶板管理采用了全垮落顶板管理方案，井下煤层的平均厚度约为5.7 m，巷道的平均倾角约为3.2°，顶板以泥质粉砂岩为主，底板以细砂岩为主，属于较为典型的深层不稳定煤层地质条件。在不同深度煤层下不是单回路地应力测量系统[2]，对地质应力波动情况进行研究，不同深度情况下的监测结果，如图1所示。

图1 不同深度地质条件下的应力变化曲线

由图1可知，随着地层深度的增加，巷道内的水平应力和竖直应力均成显著增加的趋势，特别是当地层深度超过550 m后，会产生剧烈的矿压波动增加现象，导致巷道围岩受到极大的冲击压力，进而影响巷道围岩的支护稳定性。同时由于在井下进行机械化大采高综采作业时，会进一步导致对巷道围岩的冲击作用，使采空区域巷道顶板的不稳定性加剧，不可避免的会导致巷道围岩的变形，因此煤矿井下巷道围岩变形的主要原因在于井下矿压波动和综采扰动情况下导致巷道围岩支护不稳，需要通过一定的方案控制矿压波动对巷道围岩的影响或者加强支护结构进行改善。

2 定向预裂成缝泄压技术

由于井下巷道围岩和巷道顶板的连续性，一旦发生矿压波动，将直接传递给围岩，引起围岩的变形，因此降低矿压波动影响的最好方案是对围岩和顶板连接部分进行切割，阻断矿压波动传递的途径。因此提出了定向预裂成缝泄压技术方案[3]。将预裂缝的位置设置到巷道顶板和围岩的交界处，其核心在于既要确保对顶板和围岩的有效切割，而且还不能影响巷道顶板的完整性，避免产生更大范围的垮塌，传统的爆破工程方案极易出现爆破药不足或者超标的情况，难以实现精确的爆破控制。

本文所提出的定向预裂成缝泄压技术则是利用巷道围岩的耐压怕拉的特性，在爆破孔内设置聚能爆破装置，控制爆破时的爆破方向，使爆破冲击波向着孔壁内侧产生均匀分布的压力，从而实现对岩体的定向拉张爆破，聚能拉伸爆破模型结构，如图2所示[4]。

图2 聚能爆破冲击模型

聚能拉伸爆破在实施的过程中，通过聚能装置的定向作业，在聚能爆破方向上形成一个初始的预裂缝，然后在聚能装置充分释放的爆裂冲击力的作用下沿着预裂缝进行能量释放，使裂纹沿着预裂缝充分的扩展，既能够很好的控制预裂缝的走向，又能够提升爆破缝的爆破深度，实现了充分预裂和确保顶板完整性的统一。

以煤矿井下常见的10 m、12 m、14 m切顶高度为研究对象，对爆破方案进行研究，根据多次井下实际爆破验证，确定了不同切顶高度情况下的聚能拉伸爆破时的爆破方案。当切顶高度为10 m时爆破孔的深度设置为10 m～12 m，间距为2.4 m，排距为3.8 m，每个爆破孔内设置5组聚能爆破管，孔口的封装长度为2.5 m。切顶高度为12 m时爆破孔的深度设置为12 m～14 m，间距为2 m，排距为3.5 m，每个爆破孔内设置6组聚能爆破管，孔口的封装长度为2.5 m。切顶高度为14m时爆破孔的深度设置为14 m～16 m，间距为1.8 m，排距为3 m，每个爆破孔内设置7组聚能爆破管，孔口的封装长度为2.5 m。

3 应用效果分析

对采用定向预裂成缝泄压技术后的煤矿井下两帮移近量情况进行监测，监测时分别选择切顶高度为10 m，切顶高度为12 m，切顶高度为14 m情况下的状态进行分析，结果如图3所示。

图3 不同切顶高度情况下的两帮移近量分析

由图3可知，优化后巷道两帮的移近量随着距离工作面长度的增加而逐渐增大，然后趋于稳定，切顶高度越大两帮的移近量就越小，当切顶高度为12 m和14 m的情况下距离工作面的长度超过80 m后两帮的移近量基本趋于稳定，最大变形量约为205 mm，比优化前降低了72.1%。当切顶高度为10 m时，距离工作面的长度超过152 m后两帮的移近量趋于稳定，最大变形量约为247 mm，比优化前降低了69.4%。由此可知，采用新的切顶卸压方案后，能够有效的降低井下地质矿压波动对巷道围岩稳定性的影响，可以在不改变现有支护条件下显著提升巷道围岩的稳定性。