小煤柱大巷切顶卸压试验研究

何立成

（霍州煤电集团汾河焦煤公司三交河煤矿，山西 霍州 031400）

随着110 工法提出以及推广，切顶卸压技术在工作面顺槽留巷当中广泛应用，显著解决了悬顶带来的顶板压力问题，提高了留巷成功率和采掘衔接效率。大巷相对于顺槽而言，主要动压来源来自于工作面回采至停采线后，保护煤柱引起的应力集中，导致大巷变形，往往需要留设较大的保护煤柱，以减小应力集中影响，造成大量的资源浪费[1～2]。目前切顶卸压技术研究集中在顺槽留设上，对大巷关注较少。本文以山西赵庄二号井2103 盘区大巷为研究对象，采取切顶卸压技术，以期减小保护煤柱宽度，维护大巷稳定。

1 工程背景

山西省赵庄二号井主采3#煤层，煤层平均埋深650m，平均厚度5.5m，为优质无烟煤。由于井田内断层等地质构造十分发育，影响工作面布置，因此以短工作面为主，平均走向长度不足700m。以二盘区为例，布置2103、2104 两条盘区集中大巷，两侧各布置5 个工作面。2303 大采高工作面为二盘区第3 个工作面，走向长度580m，倾向长度150m，采用一次采全高全部垮落法后退式采煤法。

由于采高大，采动影响强烈，根据理论计算和现场经验，大巷保护煤柱至少留设80m，2301 工作面和2302 工作面回采时，停采线与大巷之间保护煤柱留设宽度100m，即便如此，2103 大巷仍出现严重的变形现象，两帮鼓出约1200m，以保护煤柱一侧为主，顶板下沉约500mm，喷浆层脱落，锚索断裂，并有严重的底鼓现象，严重影响2103 大巷的长期安全使用。

按照前期煤柱留设宽度，2303 工作面走向上可采长度仅余480m，由于回采速度快，巷道掘进速度慢，短工作面方式严重影响采掘衔接，并且遗留大量的保护煤柱，造成严重的资源浪费。计划在2103 大巷内，2303 工作面对应区域进行30m 宽度小煤柱切顶卸压试验，实施长度190m，即2303 工作面对应150m，以及两侧各20m 长度，如图1 所示。

图1 试验段位置示意图

2 切顶卸压设计方案

2.1 垂直切顶高度设计

2103 大巷顶板上覆坚硬岩层分布见表1。

表1 2103 大巷顶板上覆坚硬岩层分布表

根据顶板坚硬岩层分布，经过进一步分析得出，C6 粗粒砂岩为主关键层，C3 砂质泥岩亚关键层1，C14 细粒砂岩层为亚关键层2。切顶高度超过主关键层，切断大巷上方与煤柱上方主关键层联系，才能起到卸压作用。

因此垂直切顶高度应为h=2.63+7.1+6.1+2.1+20.1=38.03m。考虑顶板岩层厚度变化，垂直切顶高度设计为40m。

2.2 切顶爆破钻孔设计

结合2103 大巷设备布置情况及履带式专用钻机设备等情况，确定切顶钻孔与保护煤柱帮距离S=0.7m。如图2(a)所示。切顶爆破钻孔间距2m，为了提高卸压效果，每两个爆破钻孔间增加一个空孔，增加爆破自由面，提高爆破效果。钻机难以实施垂直钻孔，倾角设计为与垂直方向夹角15°，倾斜孔深41.5m；孔径φ75mm，如图2（b）所示。

图2 切顶钻孔布置示意图

2.3 切顶爆破钻孔装药设计

1）炸药：选用矿用三级乳化炸药，炸药直径φ=45mm，长l=500mm，重量m=0.8kg；

2）不耦合系数K：不耦合系数K 的合理范围为1.30＜K＜1.80。2103 大巷巷顶板切顶爆破钻孔直径d=75mm，矿用三级乳化炸药直径φ=45mm，因此不耦合系数K=d/φ=75/45=1.67，在合理范围以内；

3）装药量Q：根据《煤矿安全规程》规定，深孔爆破时封孔长度不低于孔深的1/3。因此装药段长度L=[2H/3]≤27m，设计装药长度22m，采用PVC 管装药，PVC 管长2.1m/节（0.1m 为扩径接头段），每根实际装药长度2.0m，每孔采用12 根PVC 管，其中11 根PVC 管装药，共需44 卷炸药，单孔装药Q=35.2kg；

4）装药结构。采用PVC 管连续装药，每孔共12根，其中11 根PVC 管装药，插入孔底，引出导爆索，第12 根PVC 管内导爆索连接雷管，并将雷管绞线引出孔口，第12 根内用泡沫填实，将雷管与封孔段隔离，防止封孔材料浸泡雷管，装药结构如图3 所示；

图3 装药结构示意图

5）封孔。灌浆封孔长度设计为13.5m，采用铝塑管灌注封孔材料方式。封孔段上端采用囊袋作为隔离，孔口1m 采用炮泥填塞封堵孔口。

3 现场试验及效果考察

3.1 现场施工组织

共12 人，包括9 名辅助工、3 名技术人员。“三八”制作业，每班8 小时，每班4 人，包括3 名辅助工、1 名技术人员。

每班根据时间安排装药封孔2～3 个，先统一装药，后统一注浆封孔，当装最后1 个孔时计算距离交接班时间，如时间不充足，不再装药，避免出现到达起爆时间仍有未装完或未封孔的钻孔。利用交接班时间，对全部已装药钻孔进行爆破。

3.2 效果考察

实施长度190m，共实施爆破钻孔81 个，空孔80个，累计钻孔进尺6681.5m，消耗炸药3564 卷，每班平均爆破2 个钻孔，每天6 个，累计工期15 天。

图4 2303 工作面停采后大巷围岩变形曲线图

在切顶卸压试验段布置表面位移测点，观测2303 工作面停采后大巷变形情况，如图4 所示。可以看出，停采后30d 内，巷道两帮移近量220mm，顶板下沉量50mm，底鼓量约200mm，30d 以后持续观测到90d，大巷新增变形量极小，几乎为零，证明30d 以内大巷围岩已经进入稳定状态，与前期不切顶段对比，巷道变形量减小80%以上，煤柱宽度减小70%。

4 结 论

1）大巷动压来源为工作面保护煤柱集中应力影响，切顶卸压为减小煤柱宽度、维护大巷稳定的有效途径，且减小保护煤柱宽度能够提高资源采出率，缓解采掘衔接紧张；

2）根据赵庄二号井大巷顶板条件进行了切顶高度设计、钻孔设计、装药设计等；

3）现场试验190m 长度，2303 工作面停采后，30d内巷道变形基本结束，两帮累计移近量220mm，顶板下沉量50mm，与前期不切顶段对比，巷道变形量减小80%以上，煤柱宽度减小70%，效果显著。