综采工作面停采线顶板深孔预裂爆破技术研究论文_董明照

摘要：针对72314工作面收作期间顶板压力显现明显，导致83下采区回风下山等巷道围岩移近量加大，增加巷道维护工作量问题，提出了在停采线位置进行深孔预裂爆破切顶卸压采动应力控制技术方案，通过现场工业性试验，切顶卸压护巷技术应用效果显著，有效保障了采区准备巷道的安全稳定。

关键词：停采线；顶板；深孔预裂爆破；切顶卸压护巷

停采线位置处切顶卸压技术能够切断采空区与工作面上方顶板“悬臂梁结构”，降低超前支承压的影响，改善采区准备巷道所处的应力环境，使巷道处于卸载区，提升巷道围岩的稳定性，对收作期间顶板的管理及后期采区下山巷道支护管理均具有积极的意义。学者王巨光[1]分析了切顶卸压成巷机制；陈勇[2]通过理论分析了浅孔爆破切顶卸压机理；任海平[3]应用深孔爆破技术对顶板进行切断，实现卸压并降低采动应力对巷道的影响；孙晓明[4]研究了不同爆破参数对切顶卸压效果的影响。本文以许疃72314工作面为工程背景，在掌握工作面矿压显现规律的基础上，在收作线位置处实施顶板进行深孔预裂爆破，并对应用结果进行了分析，为切顶卸压护巷技术在其他矿区的应用提供借鉴。

1 工程概况

72314工作面属于83下采区，工作面标高-516.8～-642.4m，地面位于小张庄西260m左右农田位置。上段走向长平均863m，上段倾斜长126m，下端走向长1363m，下段倾斜长165.5m。72314工作面开采煤层为72煤，煤层厚度3.4-62m，平均4.6m，煤层倾角0-26°，平均13°。煤种主要以FM为主局部含有1/3JM，煤质以中高挥发份、低灰、低磷、酸性灰渣、特低氯、特低硫、呈以块状和碎粒状为主。工作面巷道布置主要有风巷、机巷和腰巷，直接顶为泥岩，厚度0-5.97m，平均2.8m，老顶为细砂岩，厚度1.8-11.9m，平均4.98m。采用单一走向长壁采煤法，综合机械化采煤工艺，采高控制在3.4～5.4m。

2 72314工作面矿压显现特征

采场煤岩体采出后上覆岩层发生运动，围岩应力重新分布是应力环境变化的根本原因。建立如图1所示的支承压力分区力学模型。利用极限平衡理论，将采场前方煤岩体划分为极限平衡区和弹性区，进行理论分析及计算[5]。

图1 支承压力分区

在极限平衡区内，任意x位置建立平衡方程为：

（1）

式中：f--层间摩擦系数；m---煤层厚度；x--极限平衡区内任一点距离煤壁的距离。

结合Mohr-Coulomb强度准则，推导得到支承压力峰值距离煤壁的距离为：

（2）

式中：--应力集中系数；--煤岩体容重；--采深。

结合72314工作面具体参数，代入式（2）计算可得，=12.07m，即72314工作面前方支承压力峰值距离煤壁的距离为12.07m。同时得到弹性区的影响范围为：

（3）

式中：--侧压系数。取侧压力系数A=0.5，=1/A。结合72314工作面参数，得到弹性区的影响范围=24.38m。判断得到支承压力的影响范围为36.45m。

通过现场实测发现，72314工作面煤壁侧向外30m范围，矿压显现较为明显，对巷道的帮部进行测量，巷宽4460mm（原设计宽度5000mm），说明工作面回采支承压力已对巷道产生较为明显的影响，30m向外，巷道变形量逐渐变小，至40m范围以外，矿压显现不明显，判断72314工作面回采超前支承压力的影响范围约为40m。综合分析，72314工作面回采，超前支承压力的影响范围40m。

3 顶板深孔预裂爆破方案设计

3.1 爆破参数设计

（1）爆破循环步距

在停采线区域内顶板均采用松动爆破软化上覆岩层，可以保证在停采线位置支架不会出现来压显现剧烈现象。合理的深孔松动爆破循环步距应小于采场支架可承受的周期来压步距。松动爆破循环步距与顶板的岩性、厚度、裂隙发育等情况有关。结合72314工作面的岩石特征，顶板的来压规律，暂定深孔预裂爆破进行两组，第一组位于收作线前（煤柱侧）10m，第二组位于收作线前方（煤柱侧）20m，两次爆破的步距为10m。

（2）爆破高度

合理的爆破高度可以减弱老顶破断时对支架的冲击，可以表现出较好的缓冲效果，72煤上覆岩层从下至上分别为层厚0-5.97m，平均2.8m厚的泥岩，层厚1.8-11.9m，平均4.98m厚的细砂岩，层厚3.74-10.15m，平均5.82m厚的粉砂岩，层厚11.14-39.14m，平均21.9m厚的泥岩。通过初步判断，上覆的泥岩和细砂岩为冒落带范围，粉砂岩为老顶。为使停采线位置处顶板软化，爆破高度控制在20m，即爆破孔终孔位置控制在平均层厚21.9m的泥岩范围内。

（3）炮孔角度

合理的炮孔角度是顶板房顶高度和长度的前提保障。倾角过大，导致爆破沿煤层倾向方向爆破范围缩小，炮眼数目增多，工作量增大；倾角过小，虽然可以增大煤层倾向的爆破范围，但装药位置与顶板的距离减少，爆破后可能导致顶板过于破碎，采煤时顶板难于管理。综合考虑，72314工作面停采线深孔爆破钻孔炮孔角度与工作面收作线平行，角度大小为10°。

（4）炮眼深度

炮眼深度与工作面长度和煤层倾角有关。一般工作面长度大于120m时，采用机巷与风巷双向钻孔，两巷炮孔孔底的水平距离应大于10m。当工作面长度大于120m时，在计算炮眼深度时，首先确定顶板爆破长度，即炮眼在水平方向的投影长度，再由炮眼投影水平长度及炮眼倾角进行计算炮眼深度，即：L=l/cosα，式中，L为炮眼深度，l为炮眼投影水平长度，α为炮眼倾角。

3.2 深孔预裂爆破方案

72314工作面停采线位置深孔预裂爆破采用沿风巷、腰巷和机巷钻平行工作面超前深孔爆破放顶的技术方案。第一组爆破，位于停采线位置前方（实体煤柱侧）的6#钻场内部，此位置具体为：风巷：F3点前71m；腰巷：Y7点前5m；机巷：J14点前14m；第二组爆破，位于停采线前方（实体煤柱侧）20m位置，此位置具体为：风巷：F3点前83m；腰巷：Y7点前17m；机巷：J14点前26m。

由72314工作面风巷与腰巷之间，工作面长度为132m，腰巷与机巷之间，工作面长度为174m。每组爆破位置设计8个钻孔，采用风巷和腰巷联合布置方法，具体为，从风巷的下帮向腰巷方向布置2个爆破孔预裂工作面风巷至腰巷范围的上段，从腰巷的上帮向风巷方向布置2个爆破孔预裂工作面风巷至腰巷范围的下段，从腰巷的下帮向机巷布置4个爆破孔预裂工作面腰巷至机巷范围的上段，具体布置的剖面图，如图2所示，爆破高度控制在20m。

（a）第一组爆破位置炮眼倾向方向布置图

（b）第二组爆破位置炮眼倾向方向布置图

图2 炮眼倾向方向布置图

各爆破钻孔封孔长度至少10m，装药的长度离煤层的距离不小于2.5m。装药量按照（炮眼深度-封堵长度）×3.3Kg计算，以第一组爆破位置参数设计为例，参数见表1所列。

表1 72314工作面炮眼第一组爆破位置参数设计表

为了确保爆破网路安全起爆，每个炮眼装同段2发雷管或采用煤矿许用导爆索串联药柱，采用串联爆破网路起爆，以避免拒爆现象和保证安全爆破。采用连续装药，风动封孔机封堵孔口，水泥作为封堵炮孔材料。深孔装药结构见图3。

图3 装药与封孔结构示意图

4 切顶卸压护巷效果

为检测停采线位置处深孔预裂保护切顶卸压护巷效果，在83下采区回风下山内布置巷道围岩变形监测测点，测点范围覆盖整个工作面长度。图4给出了切顶卸压后83下采区回风下山巷道表面位移随时间的变化情况。

图4 切顶卸压后巷道表面位移随时间变化

从图中可以看出，83下采区回风下山在顶板深孔预裂爆破20天后，巷道变形已趋于稳定，巷道顶底板最大移近量30mm，两帮移近量最大值为23mm。可见，在停采线位置施工切顶卸压后，工作面的超前采动影对采区准备巷道影响较小，巷道围岩稳定。切顶卸压技术缓解采区准备巷道的压力显现，起到良好的护巷效果。

5 结论

（1）针对72314工作面收作期间顶板压力显现明显，采动影响导致采区准备巷道围岩移近量加大灯问题，提出了在停采线位置进行深孔预裂爆破切顶卸压采动应力控制技术方案。

（2）通过理论分析和现场实测，确定了72314工作面超前支承压力的影响范围40m；设计了停采线位置处深孔预裂爆破方案，并进行现场工业性试验，切顶卸压后，巷道顶底板最大移近量30mm，两帮移近量最大值为23mm，巷道围岩稳定，起到良好的护巷效果

参考文献：

[1]王巨光, 王刚. 切顶卸压沿空留巷技术探讨[J]. 煤炭工程, 2012, (1): 24-26.

[2]陈勇, 郝胜鹏, 陈延涛, 等. 带有导向孔的浅孔爆破在留巷切顶卸压中的应用研究[J].采矿与安全工程学报, 2015,32 (2): 253-259.

[3]任海平. 官地矿22611工作面停采线深孔爆破断顶卸压技术研究及应用[J]. 中国煤炭, 2008, 44(4): 78-82.

[4]孙晓明, 刘鑫, 梁广峰, 等. 薄煤层切顶卸压沿空留巷关键参数研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(7): 1449-1456.

[5]罗吉安, 王连国, 张新亮, 等. 近距离煤层综采工作面合理停采煤柱研究[J]. 矿业研究与开发, 2012, 35(5): 27-29.

作者简介：董明照，1983年8月出生，山东科技大学土木工程专业，目前从事煤矿生产技术管理工作。

论文作者:董明照

论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年1月第3期

论文发表时间:2020/4/22

标签：工作面论文;  巷道论文;  炮眼论文;  顶板论文;  采区论文;  位置论文;  煤层论文;  《工程管理前沿》2020年1月第3期论文;