薄煤层坚硬顶板工作面切顶卸压留巷技术研究

高金强

(汾西矿业南关煤业公司，山西 灵石 031304)

为了降低瓦斯治理成本、掘进速度慢以及煤炭资源浪费等问题，沿空留巷技术在矿井应用日益广泛，切顶卸压留巷技术是典型的无煤柱留巷方式[1]。沿空留巷成功与否关键在于巷旁充填体能够支撑巷道顶板，降低巷道围岩变形[2～3]。近些年来，众多的研究学者对沿空留巷技术展开研究，提出采用压裂手段弱化顶板，从而降低沿空留巷巷道围岩应力，其中预裂爆破切顶卸压技术在现场应用中应用效果显著[4～6]。本文以山西某矿43101运输巷工程地质条件为工程背景，设计切顶卸压留巷技术方案，并现场应用，研究成果可为其他矿井采取切顶卸压留巷提供一定的借鉴。

1 工程概况

43101工作面开采4号煤层，煤层厚度在1.1～1.6m，属于薄煤层，煤层埋深深度平均195m，倾角平均3°。由于矿井生产任务繁重，同时为了降低煤炭损失量，矿井将43101运输巷采用切顶卸压留巷技术保留下来，作为下一个回采工作面的回风巷。43101运输巷断面5.7m×3.0m，设计长度850m，沿着4号煤层底板破顶掘进。4号煤层顶板为砂岩，岩性坚硬。

2 切顶卸压方案

2.1 切顶卸压爆破孔参数

随着切顶卸压技术在矿井应用的不断推进，施工技术方案以及布置参数也在不断完善，对切顶卸压爆破孔影响较为明显的参数有两个方面：一为爆破孔参数，二为爆破参数[7]。爆破孔参数包括有爆破孔间距、角度以及深度等；爆破参数包括有装药量、装药结构以及爆破方式等。对于设计的爆破孔参数，施工的爆破孔倾角可降低岩层间软弱界面摩擦力从而影响岩石垮垮落情况。考虑到43101运输巷实际地质条件，结合现场施工条件，设计爆破孔施工角度为上仰70°；施工的爆破孔深度直接影响切顶效果，根据4号煤层顶板岩性及顶板岩性，确定的切顶卸压高度为10.75m，施工的爆破孔深度为11.5m，封孔长度为为爆破孔深度的25～30%，同时采用充填体对爆破孔进行保护。对于爆破参数则采用连续装药结构，装药密度控制在0.45kg/m，具体装药结构见图1。爆破孔间距对切顶效果有显著影响，过大则会造成切顶效果差，岩层不容易垮落；过小则会导致影响顶板岩层整体稳定性，不利于巷道围岩控制；因此需要通过现场试验优选出最佳爆破孔间距。

图1 切顶钻孔装药结构(单位：m)

2.2 爆破孔间距确定

2.2.1 爆破孔布置方案

合理的切顶卸压爆破孔间距对切顶卸压效果有较大影响，综合分析43101运输巷地质条件，设计3种切顶卸压爆破孔间距参数，从而优选出最优爆破孔间距。

为了优选出最佳爆破孔间距，在试验地点设计3种爆破孔布置方案，分别对应的爆破孔间距L为0.07m、0.6m、0.5m。在爆破方案中均采用1.5m聚能管，单个钻孔布置5根，装药量为3.375kg，共计装入17根乳化炸药，封孔采用炮泥结合水泥袋方式，封孔长度在4.0m。每一种爆破方案均施工5个爆破孔，具体的布置方案见图1。爆破孔施工参数见图3。

2.2.2 试验结果

(1)孔口岩层破碎情况

采用导向孔及邻近孔冒烟情况来判定爆破孔爆破后各孔间是否出现联通，爆破后各孔若均有冒烟且导向孔冒烟量较大、持续时间长。从现场观测来看，除少数爆破孔封孔炮泥被爆破冲击波冲出来以外，其余的爆破孔孔口位置无明显的缝隙以及粉碎显现，爆破后未对爆破孔开口位置围岩造成显著影响。因此，爆破孔间距0.5～0.7m均不会在爆破孔孔口位置形成抛掷型漏斗，可以满足切顶卸压需要。

图2 布置方案

图3 爆破孔施工参数(单位：m)

(2)爆破孔裂隙扩展情况

采用钻孔窥视仪对爆破孔爆破后形成的裂缝发育及扩张情况进行试验，并进行统计。从窥视结果看出，爆破孔间距在0.5m时，在距离孔底0.6m～7.6m范围内有众多的裂隙(纵向)且对称分布，岩体的整体性、稳定性较差；爆破孔间距为0.6m时，在距离孔底0～7.5m范围内为破碎区，在此范围内发育有大量的节理、裂隙，部分纵向发育的裂隙呈现对称分布；爆破孔间距在0.7m时，爆破孔完整性较强，仅在距离孔底6.2m位置处发育有两条纵向对称的裂隙。

从裂隙扩展情况分析，爆破孔间距在0.5m、0.6m时裂隙扩展较好，在0.7m时裂隙扩展性较差，不能满足现场切顶卸压需要。

(3)导向孔裂隙扩展情况

对3种不同方案下的导向孔裂隙扩展情况进行窥视，由于部分导向孔出现塌孔，因此该类型导向孔均探测至塌孔位置。从探测结果得知，爆破孔间距在0.5m、0.6m、0.7m时纵向裂隙均有扩展，其中部分纵向裂隙在近似同一水平面上扩展，导向孔内发育的裂隙宽度、长度均较小，主要原因可能是由于爆破孔封孔质量差，造成部分能量扩散，无法形成较大裂隙。

相对于0.7m爆破孔间距、0.6m爆破孔间距时导向孔内的裂隙数量、宽度及长度更多，爆破效果更为明显；爆破孔间距在05m时与爆破孔间距为0.6m时导向孔内裂隙扩展情况类似。

爆破孔间距0.7m、0.6m、0.5m时导向孔内裂隙均可以导通，同时不会有抛掷型漏斗产生，可以保证切顶卸压爆破的安全，相比较于间距在0.7m时，0.6m爆破孔时的纵向裂隙更为发育，切顶效果更为明显。

综合上述分析，最终确定爆破钻孔间距为0.6m。

3 应用效果

在43101工作面运输巷采取切顶卸压留巷技术，降低顶板垮落对巷道围岩变形影响。切顶卸压超前回采工作面掘进20m进行，巷道支护采用砌筑混凝土结合锚网喷支护方式。采用切顶卸压后，巷道顶板最大下沉量为220mm，巷帮以及底板变形量均较小，有效降低了顶板岩层垮落对留巷影响，使得巷道围岩处于应力降低区

4 总结

(1)在回采工作面前方运输巷采用切顶卸压技术对坚硬顶板岩层进行预裂卸压，采面开采后顶板岩层沿着切顶线垮落，在留巷顶板上形成段的悬臂结构，从而使得留巷围岩处于应力降低区，为沿空留巷创造良好应力环境。

(2)根据现场实际情况，确定43101运输巷切顶卸爆破钻孔参数为：倾角70°、间距0.6m、孔深11.5m、封孔4.0m。爆破参数为：采用连续装药方式、装药密度在0.45kg/m，串联起爆方式。

(3)设计的切顶卸压爆破参数在现场应用取得显著效果，留巷后顶板最大下沉量仅为220mm，巷道围岩变形量整体较小，可以满足生产需要。