切顶爆破卸压护巷技术在沿空留巷中的应用研究

2022-10-09石强

煤 2022年10期

关键词：装药围岩顶板

石强

(潞安化工集团有限公司高河能源，山西长治 046000)

沿空留巷无煤柱开采能够提高煤炭资源回收率、缓解矿井采掘衔接紧张局面，目前已被广泛应用[1-3]。切顶爆破卸压能够有效缓解留巷压力，在进行沿空留巷时，结合不同的开采地质参数选择合理的爆破参数，是实现成功留巷的关键[4-6]。

1 工程概况

1.1 工作面情况

高河能源W3305工作面为西三盘区工作面，南北均为未采区，东面接+450 m水平北翼大巷，西面为矿界。W3305工作面采用“三进一回”布置，胶带巷长2 777 m，进风巷长2 727 m，与高抽巷间隔35 m，辅运巷长2 780 m，W3305工作面回风巷长2 830 m.W3305工作面长度320 m，第一切眼可采长度960 m，第二切眼可采长度1 461 m，工作面巷道均沿底留顶煤掘进。W3305工作面开采3号煤层，煤厚5.25～8.4 m，平均厚度6.83 m，埋深427～537 m.直接顶为泥质粉砂岩，厚度2.2～4.22 m；老顶为细砂岩-中粒砂岩，厚度16.4～20.6 m；直接底为泥质粉砂岩，厚度0.95～3.05 m；老底为砂质泥岩-粉砂岩-细砂岩，厚度8.9～24.2 m.W3305工作面采综放工作面，采高采高3.5±0.1 m，放煤高度3.33 m，采放比1∶0.95.W3305工作面布置见图1.

图1 W3305工作面布置示意

1.2 沿空留巷顶板管理

W3305工作面采用“三进一回”通风布置方式，为了加强工作面的通风管理，防止上隅角瓦斯超标，确保工作面正常回采，同时减少巷道掘进工程量，提升煤炭资源回收率，需要在进风巷采空区段采用柔模混凝土墙支护技术进行沿空留巷。在进行沿空留巷过程的前期未进行切顶卸压，由于厚硬关键层回转压力大、底板膨胀性泥岩等原因，工作面矿压显现剧烈，留巷巷道围岩变形较大，留巷巷道平均帮鼓量600～1 000 mm，平均底鼓量1 000～2 000 mm；部分柔模墙体发生倾斜，导致留巷支护系统失效，顶板管理存在重大安全隐患。

2 切顶爆破卸压技术参数优化

2.1 切顶爆破技术参数

为减小顶板厚硬关键层破断回转对巷道顶煤的挤压，减少巷道围岩变形，在W3305工作面辅助进风巷回采侧肩角布置1排炮孔，对巷道顶板进行切顶卸压。为确定合理的切顶爆破技术参数，设计2种爆破钻孔布置及装药方式进行对比分析。具体参数为：①方案一：爆破钻孔距回采帮1 m，角度70°，间距1 m，孔深21 m，其中装药13 m，封炮泥8 m，线装药密度为1.0 kg/m3；②方案二：爆破钻孔距回采帮1 m，角度70°，间距0.9 m，孔深18 m，其中装药12 m，封炮泥6 m.炮孔布置方案如图2所示。

图2 切顶爆破孔布置图(mm)

2.2 预裂切顶爆破窥视分析

W3305工作面进风巷共进行了65组，324个炮孔。方案一共计施工119个爆破孔，方案二施工205个爆破孔，共使用炸药3 531.6 kg，导爆索3 838 m，雷管644个，聚能管3 648 m.方案一选取10号、15号和16号措施孔进行窥视，方案二选取29号、38号和39号措施孔进行窥视，分析爆破效果。窥视结果如图3所示。

6个措施孔窥视结果如下：

1) 10号措施孔距离当班工作面约11 m，窥视时在11 m处发生塌孔，无法再进行窥视。从钻孔窥视分析仪中可看出，在封孔段2 m之后就产生了裂缝，但是只有局部断断续续产生，没有形成连续裂缝。从装药段8 m处开始到塌孔11 m处，开始产生连续裂缝，最长连续裂缝约1.1 m.10号措施孔内裂缝生成长度达装药长度70%以上。

2) 15号措施孔距离当班工作面约18 m，窥视时在19 m处发生塌孔。从钻孔窥视分析仪中可看出，在封孔段6 m处产生局部裂缝，长度约0.4 m，从装药段9 m处开始到塌孔19 m处产生明显连续性裂缝，最长段从9 m处开始到12.5 m处有明显连续性裂缝，从13 m到19 m塌孔处也有明显连续性裂缝，此段裂缝连续长度较短。15号措施孔内裂缝生成长度达装药长度70%以上。

3) 16号措施孔距离当班工作面约25 m，窥视21 m.从钻孔窥视分析仪中可看出，在封孔段没有产生局部裂缝，从装药段8 m处开始到孔底21 m处产生明显连续性裂缝，8～9.2 m处有裂缝，最长段从10 m处开始到15 m处有明显连续性裂缝，从16.5 m到21 m孔底处也有较短的连续性裂缝。16号措施孔内裂缝生成长度达装药长度70%以上。

4) 29号措施孔距离当班工作面约98 m，窥视18 m.从钻孔窥视分析仪中可看出，在封孔段没有产生裂缝，局部有岩石破碎现象，从装药段6 m处开始到孔底18 m处产生局部不连续裂缝，切缝生成长度占装药长度50%以上。相较于未优化前预裂切顶爆破后窥视措施孔情况，切缝生成长度明显大幅度增加，措施孔内裂隙生成宽度明显增加。说明优化后预裂切顶爆破效果是符合优化设计要求的。

5) 38号措施孔窥视时在17 m处发生塌孔。从钻孔窥视分析仪中可看出，在封孔段6 m处产生局部裂缝，长度约0.4 m，从装药段6 m处开始到塌孔17 m处产生明显连续性裂缝，最长段从7 m处开始到12.5 m处有明显连续性裂缝，从13 m到17 m塌孔处也有明显连续性裂缝，此段裂缝连续长度较短。38号措施孔内裂缝生成长度达装药长度70%以上。

6) 39号措施孔窥视18 m.从窥视仪中可看出，在封孔段产生局部裂缝，裂缝长度0.9 m，且不连续；从装药段6 m处开始到孔底18 m处产生明显连续性裂缝，最长段从9 m处开始到18 m处有明显连续性裂缝。39号措施孔内裂缝生成长度达装药长度70%以上。

从6个措施孔内可以看出，预裂切顶爆破后在措施孔内均产生了明显纵向裂缝，其中10号、15号、16号、38号、39号措施孔内裂缝生成长度达装药长度70%以上，29措施孔内裂缝生成长度达装药长度50%以上。通过窥视的6个措施孔可以得出，目前在W3305切顶爆破所取爆破参数合理有效，而且在切顶预裂聚能爆破取得了较好的效果，基本达到了预期爆破效果。因此，为降低施工量和施工难度，选取方案二作为爆破钻孔参数，爆破钻孔距回采帮1 m，角度70°，间距0.9 m，孔深18 m，其中装药12 m，封炮泥6 m.

3 留巷围岩变形情况分析

3.1 未切顶区域留巷围岩变形情况

W3305工作面实施柔模沿空留巷后，对留巷围岩变形进行观测，未切顶区留巷围岩表面位移如图4所示。通过现场观测可知，在工作面回采170 m范围内，巷道变形量大，顶底距离缩近1 340 mm，两帮距离缩近591 mm.其中，顶板下沉量总体不超过211 mm，总体上顶板下沉缓慢，变化量较小；底鼓量最大为1 129 mm；墙体移近量在测量范围内总体变化量不超过190 mm；煤帮移近量总体上在401 mm范围内波动。同时由于该区域未进行切顶卸压，留巷巷道顶板破碎、完整性差，并且有多个柔模墙破损、鼓包。

图4 未切顶区留巷围岩表面位移图

3.2 切顶区域留巷围岩变形情况

对切顶卸压区留巷围岩表面位移进行观测，如图5所示。由图5可知，在工作面回采170 m范围内，顶底距离缩近小于1 100 mm，两帮缩近小于250 mm.顶板下沉量总体不超过150 mm，底鼓量最大为950 mm，墙体移近量在测量范围内总体变化量不超过150 mm，煤帮移近量总体上在100 mm范围内波动。现场观测可知，留巷巷道顶板完整，柔模墙体正常，未出现破碎、鼓包等现象。

图5 切顶区留巷围岩表面位移图

3.3 对比分析

通过对切顶区域和未切顶区域留巷围岩变形观测分析可知，采用爆破切顶卸压后，留巷巷道顶板完整，柔模墙体未出现破损、鼓包现象；留巷巷道围岩表面位移有一定程度减小，顶底板缩近量减少约20%，两帮缩近量减少约50%，其中煤帮侧移近量减少75%.由此可见，切顶卸压后有效减少了沿空留巷巷道内压力和留巷断面收缩量，保证了工作面的安全高效高产，为留巷复用创造了条件。