屯兰矿12507 底抽巷深孔爆破卸压保护措施与应用

乔 磊

（西山煤电（集团）公司屯兰矿，山西 古交 030200）

0 引 言

切顶卸压技术是解决因坚硬难垮顶板悬露面积较大导致巷道矿压显现强烈的有效措施。近年来，诸多学者专家对此进行了大量研究。张盛等[1]基于对切顶卸压沿空留巷工艺在国内30 余个煤矿中的应用现状的总结和分析，统计了定向爆破孔的孔深、角度、间距和钻孔直径等关键参数。徐军等[2]基于对浅孔爆破时岩体裂隙分布和顶板破断规律的分析，提出浅孔爆破切顶卸压和构筑充填体的联合沿空留巷技术。姚安涛等[3]针对超前压力易导致巷道底鼓问题，通过对沿空留巷进行切顶卸压，有效治控制了回采巷道底鼓量。刘书梁和李汉民[4]针对孙庄矿沿空留巷矿压显现较大的问题，基于对沿空留巷矿压显现较大的诱因分析，利用切顶卸压技术有效控制了沿空留巷矿压。郭鹏飞等[5]通过确定双向聚能张拉爆破参数，实现了软弱复杂顶板的预裂爆破，维护了沿空留巷的稳定性。基于上述研究，本文针对屯兰矿12507 底抽巷在12507 工作面采动影响下巷道变形较大，难以维护的工程现状，提出采用切顶卸压技术对12507 工作面采空区顶板进行侧向预裂，以保护12507 底抽巷的稳定。

1 工程概况

西山煤电集团屯兰矿2#煤层为该矿主采煤层之一，2#煤层厚度为2.35～3.24 m，平均厚度2.74 m；煤层倾角为2～8°，平均倾角5°。其12507 工作面顶板由不同厚度的泥岩、细砂岩和粉砂岩构成，底板由不同厚度的砂质泥岩和细砂岩构成。12507 工作面顶底板情况如图1 所示。

图1 综合柱状图

2# 煤层12507 工作面北邻12505 工作面采空区，南邻12509 工作面（计划布置），东为土地沟断层防水煤柱和富开洗煤厂，西为南五回风巷、南五轨道巷和南五胶带机巷。12505 工作面回采完毕后采用沿空留巷技术将12505 瓦斯治理巷复用为12507 轨道顺槽，12507 底抽巷位于12507 皮带顺槽下方，12507工作面布置具体如图2 所示。

图2 12507 工作面布置图

由图1 和图2 可知，12507 工作面顶板岩层较为坚硬，随12507 工作面推进，顶板悬露面积不断增大，悬露时间不断延长，导致12507 底抽巷变形较大，维护困难。为了控制12507 底抽巷围岩变形，确保瓦斯抽采效果，现决定根据12507 工作面实际条件，在12507 皮带顺槽内进行爆破切顶卸压，以优化12507底抽巷围岩环境。

2 切顶卸压数值模拟

2.1 模型建立

切顶炮孔高度、角度以及孔间距的选择是否合理决定了切顶卸压的整体效果，为此基于12507 工作面煤岩层具体情况，利用FLAC3D 数值模拟软件建立数值模型，对12507 工作面皮带顺槽不同切顶炮孔角度时12507 底抽巷塑性区分布进行分析。所建立的模型尺寸为200×80 m（长×高），模型上边界施加15 MPa的均布载荷，底边界限制垂直方向位移，左右边界限制水平方向位移，所采用的煤岩层物理力学参数见表1。

表1 煤岩层物理力学参数

2.2 不同切顶角度对12507 底抽巷塑性区分布的影响

基于12507 工作面顶板岩层条件知，2# 煤层上方顶板坚硬层位较多，需要处理到垂直高度15 m 左右比较合理，因此将预裂炮孔斜长设置为18 m。结合12507 工作面实际生产情况，将预裂炮孔角度分别设置为60°、65°、70°和75°进行模拟，4 种不同切顶角度时围岩塑性区分布分别如图3（a）～图（d）所示。

图3 不同切顶角度时巷道围岩塑性区分布图

对比图3（a）～图（d）可知，随着12507 皮带顺槽切顶角度增大，12507 底抽巷围岩塑性区范围呈现出先增大后减小再趋于稳定的变化趋势。当切顶炮孔角度为60°时，巷道围岩塑性区呈“反K”形分布，塑性区主要沿巷道左上角和左下角延伸，而巷道右侧塑性区范围相对较小。当切顶炮孔角度增大至65°时，巷道围岩塑性区呈“X”形分布，塑性区沿巷道四角向围岩深处延伸，且塑性区范围进一步扩大。当切顶炮孔角度为70°时，巷道围岩塑性区呈“倒π”形分布，塑性区沿巷道左上角和右上角略有延伸，而巷道其他位置塑性区范围较小，巷道围岩整体性较好；而当切顶炮孔角度增大至75°时，巷道围岩塑性区分布范围无显著变化。由此可知，采用角度为70°的炮孔对12507 工作面采空区侧顶板进行侧向预裂时，12507 底抽巷围岩塑性区范围最小，即采用该角度进行切顶时对12507 底抽巷保护效果最好。

2.3 炮孔间距的确定

为了进一步确定切顶卸压炮孔间距，本文采用HIGE_EXPLOSIVE_BURN 模型和JWL 方程对单个炮孔和双炮孔炸药爆破过程进行模拟，采用单个炮孔和双炮孔时裂隙发育形态分别如图4（a）和图4（b）所示。

由图4 可知，炸药起爆后100 us 时炮孔周围开始出现大范围破坏，350us 时炮孔周围开始出现径向主裂纹，主裂纹条数为4 条。随后主裂纹和次裂纹继续扩展，次裂纹扩展方向具有一定的随机性，主裂纹扩展的主方向为沿径向向外扩展，但在局部表现为一定的随机性。对于双炮孔时主裂纹条数有所增加。裂纹扩展终止后向上下主裂纹的扩展长度分别为0.8m 和0.9m，平均长度0.85m。因此，在12507 工作面顶板围岩条件下起爆后炮孔周围的裂隙区直径约为1.7m。综上所述，结合12507 工作面顶板围岩具体条件，确定切顶炮孔最佳间距为3.0m。

图4 单个和双炮孔时岩体裂隙发育状态

3 巷道表面变形监测与分析

炮孔沿工作面皮带巷顶板走向布置，间距为3m，孔深斜长18m，仰角偏向工作面侧70°，炮孔垂高为15m。炮孔施工时考虑12507 皮带顺槽内设备的影响，在距离巷帮顶板处2m 处左右开口（即在巷道顶板中部开孔）。同时由于12507 工作面顶板坚硬打钻较为困难，为了打钻及填装炸药工作更容易，采用Ф75mm 钻头和Ф50mm 凹槽爆破筒进行炮孔施工。为了验证该侧向切顶方案时12507 底抽巷稳定情况，对12507 底抽巷表面位移进行现场监测。以预裂炮孔布设位置为起始点，布设设2 个巷道表面位移测站，测站间距为50 m，监测结果如图5 所示。

图5 巷道表面相对位移量

由图5 可知，2 个测站所监测的数据相差不大，且所测得的15207 底抽巷顶底板移近量均大于两帮移近量。距工作面0～60 m 范围内，15207 底抽巷表面相对移近量变化较大，但在距工作面60～100m范围时，15207 底抽巷表面移近量无显著变化，总体上趋于稳定。此外，测站1 所监测的15207 底抽巷顶底板移近量和两帮移近量最大值分别为206.13和134.12mm，测站2 所监测的15207 底抽巷顶底板移近量和两帮移近量最大值分别为213.14 和138.22mm。由此可见，采用间距为3 m，孔深斜长18 m，仰角偏向工作面侧70°炮孔布设方式对12507 工作面采空区顶板进行预裂爆破时，15207底抽巷表面变形较小，即有效保护了15207 底抽巷的稳定。

4 结 语

本文针对屯兰矿12507 底抽巷在12507 工作面采动影响下巷道变形较大，难以维护的工程现状，基于理论分析和数值模拟结果，提出采用切顶卸压技术对12507 工作面采空区顶板进行侧向预裂，并确定了采用间距为3 m，孔深斜长18 m，仰角偏向工作面侧70°炮孔布设方式进行切顶卸压时对12507 底抽巷保护效果最好。