切顶卸压护巷技术研究

张 超

（潞安环能股份公司常村煤矿，山西 长治046102）

煤炭是我国的主要经济能源，因此，高效的采煤一直是最提倡的方法，而在采煤过程中，煤矿坚硬顶板一直是工作面推进以及设备运行的阻碍，针对这一问题，陈勇、郝胜鹏、陈延涛等在理论知识的支持上，利用LS-DYNA数值模拟软件对进行了详细的分析研究，同时对爆破参数进行了选择，结果表明，切顶卸压技是处理厚层坚硬顶板问题的有效途径[1]；刘小强、张国锋在小河嘴矿工作面运输巷进行了切顶卸压技术，成功地降低了巷道矿压带来的影响，为巷道的维护、通风以及支护都提供了便利[2]；周登辉、伍水平采用理论和现场结合的方法，以沿空留巷为研究对象，通过建立数学模型发现基本顶的断裂位置不同对于巷道的支护有明显得影响，通过计算分析成功地解决了因断裂位置不同对沿空留巷的影响[3]。蒲文龙、张国华、毕业武详细地分析了支承压力的分布对于大采高下煤层围岩控制的影响，已经建立的数学模型在实际的工程中运行，取得了良好的结果[4]。

在超前支承压力理论的支持下，本文对切顶卸压爆破理论进行了研究，同时将理论知识运用在实际工程中。理论和实践证明，合理的炮孔布置进行切顶卸压技术的实施可以改善巷道的变形量，对于工作面的推进以及设备的维护都提供了便利的条件。

1 切顶卸压护巷理论研究

切顶卸压技术是煤矿针对坚硬顶板通过爆破等人工干预的方法破碎坚硬顶板从而释放因顶板压力过大造成的巷道变形等问题的技术。国内许多煤矿在采煤过程中都会遇到坚硬顶板的问题，坚硬顶板因为硬度大，埋深厚，在自身质量应力以及上覆岩层的作用下，对煤壁以及巷道都会施加很大的作用力，如果支护强度及刚度不够，巷道将会发生很大的变形。目前，单靠液压支架支撑坚硬顶板巷道很难达到预期效果，因此，切顶卸压技术的实施就显得非常必要了。在切顶卸压技术的实施中，爆破是必不可少的步骤。

目前，矿上大多采用炸药进行坚硬顶板的处理，在坚硬顶板布置好炮孔后，通过导火索引爆炮孔内的炸药，炸药在爆炸瞬间，在极小空间的压缩下，压力瞬间升高至5～8万倍的大气压力，温度最高可以达到3 000℃。在高强度的应力以及超高温度的共同作用下，靠近炮孔的坚硬岩石由固态瞬间变为破碎状态以及液体状态，从而在炮孔周围形成一定区域的扩腔区。因为炸药爆炸形成的巨大冲击波会在岩层的阻碍作用下会出现逐渐衰减的趋势，在扩腔区外侧因为冲击波的作用出现破碎区，此区域内的岩石呈现一种破碎的状态，扩腔区的岩石吸收了大量的能量，因此冲击波会出现急速衰减的趋势，所以扩腔区外的岩石会出现破碎状态。在破碎区外侧，应力冲击波继续扩散，在冲击波的作用下产生了大面积的径向裂缝，径向裂缝扩展发育的速度非常快。在裂缝产生后，炸药爆炸产生的巨大作用力仍然会扩散，形成顶端尖锐的扩张裂隙，成为裂隙区域，裂隙区域远大于压碎区。

煤岩在炸药爆炸的整个过程中，其破坏形式有很多，在扩腔区和压碎区内的煤岩受到的力远大于本身的最大抗压强度、抗拉强度。在裂隙区域，其受到剪切破坏、拉应力等复杂的破坏形式。炸药爆炸后的弹性势能会进行迅速的扩张，而随着能量路径的扩散，其会随着中心区域径向的扩散，从而出现径向裂隙，这些裂缝会不断扩张发育，偶尔会出现横向的裂纹，横纵裂纹也会出现贯通现象。在径向方向会产生较大的拉应力，应力与径向面会形成45°的夹角，因为爆炸产生的拉应力数值远远大于岩石本身的抗拉应力，岩石会出现剪切破坏，破坏简图如图1所示。

在实际工程中，因为炮眼的大量布置，炸药在引爆之后会出现巨大的冲击波，炮孔之间的裂隙也会相互贯通，岩石的破坏程度将会得到更好的发育，对于坚硬顶板的处理有很好的效果。

图1 炸药爆破后炮孔区域分布图

2 切顶卸压方法的实施

在对爆破后岩石破坏准则的研究基础上，对切顶卸压技术在实际施工中的炮孔布置进行深入的研究，研究以东曲矿为背景，保炮孔布置的平面示意图与剖面示意图如图2、图3所示。炮孔打在工作面上方的巷道内，炮眼长度为21.6 m，共布置11个炮孔，炮孔间距为6 m，采用平行布孔方式布置，具体参数如表1所示。

图2 切顶卸压技术炮孔布置平面示意图

图3 切顶卸压技术炮孔 布置剖面示意图

表1炮孔布置的具体参数

在对炮孔方案的设计基础上，具体的实施步骤如下：

1）按照以上的方案，施工人员需要在工作面设备都停止运行的情况下进行钻孔施工，检查安全后，才可以装药。

2）在装药的过程中需要对巷道以及炮孔周围进行瓦斯监测，瓦斯的存在会提前引爆炸药，将会对工作人员以及工作面产生破坏伤害，尤其是高瓦斯矿井，必须进行瓦斯监测，必要情况下还需进行通风等措施降低瓦斯含量。

3）确保瓦斯不超标的情况下，施工人员应该在搭建好的工作台进行人工干预顶板处理，因为在钻孔过程中，坚硬顶板会出现松散的容易掉落的岩层，施工人员应该进行人工干预以免岩层在后期爆破中出现飞溅现象对人员造成伤害。

4）装药过程中应该分组同时装药，一般单个炮孔同时装药，装药完成后依次进行封孔操作。

5）本次封孔长度为8.4 m，在封孔的过程中应该确保导火索的完整性，避免发生断裂以及相互缠绕现象。

6）所有准备工作就绪后，进行引爆工作，因为炮孔整体是串联的方式连接，局部炮孔又是以并联的方式连接，每次引爆三个炮孔，进行分组引爆，保证安全的情况下，最大化的实现坚硬顶板的破碎目的。

在爆破处理后，经过观测以及数据采集分析我们得到了以下数据结果，由图4可以看出，爆破处理后，巷道两帮以及顶板的变形量都会随着距离工作面的增加而减小，成功了减缓了超前支承压力造成的应力集中问题。巷道的变形量在距离工作面最近的区域依旧变形最大，但是随着力工作面距离的增加，巷道变形量迅速降低，距离工作面90 m后，巷道的变形量基本为0。可以看出，切顶卸压技术确实能够起到卸压的效果，坚硬顶板在破碎垮落后，因为上覆岩层的完整性遭到破坏，给工作面以及液压支架的阻力也会降低，由此可知，此方法可以在煤矿处理坚硬顶板的问题上大型推广运用。

图4 爆破处理后的巷道变形量

3 结论

通过对切顶卸压技术实施过程中爆破原理的分析，我们在工作面进行了科学实验，实验得到以下结论：

1）切顶卸压技术在进行爆破的过程中，爆破会产生扩腔区、破碎区以及裂隙区，区域内的岩石在势能以及热能的综合作用下达到破坏状态，强度因此下降。

2）进行爆破过程中，炮孔的布置以及深度应该合理安排，炮孔应实行局部并联，整体串联的方式进行连线，进行分组引爆进行切顶处理。

3）在对工作面实施切顶卸压技术处理后发现，处理后的巷道的变形量明显得到改善，巷道两帮以及顶板的位移量都出现大幅度降低趋势，成功的解决了坚硬顶板为巷道稳定性带来的难题。