焦家寨矿深井高地应力切顶护大巷关键技术研究.pdf

第46 卷第9期2023年9月采矿与井巷工程焦家寨矿深井高地应力切顶护大巷关键技术研究煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.9Sep.2023张金龙（晋能控股煤业集团轩岗煤电有限责任公司，山西忻州0 34114）摘要：为解决焦家寨矿2 2 1采区巷道在采动影响下失稳破坏的问题，以该采区2 2 116 综放工作面为工程背景，通过理论分析、工程类比、现场监测等手段进行切顶卸压护巷技术的研究和实践。研究结果表明，工作面适用爆破预裂切顶技术，爆破切顶位置设置在停采线后方20m处较合理，此次切顶目标岩层为9.6 8 m的粗粒砂岩主关键层，切顶后轨道上山在采动影响下围岩变形量增幅很小，保护了采区巷道。关键词：厚煤层；爆破预裂；停采线；采区大巷中图分类号：TD35Research on key technology of high ground stress roofcutting roadway in deep mine of Jiaojiazhai Mine(Jinneng Holding Coal Group Xuangang Coal and Electricity Co.,Ltd.,Xinzhou 034114,China)Abstract:In order to solve the problem of instability and failure of roadway in 221 mining area of Jiaojiazhai Mine underthe influence of mining,taking the 22116 fully mechanized caving face in the mining area as the engineering background,the research and practice of roof cutting and pressure relief roadway protection technology are carried out by means oftheoretical analysis,engineering analogy and field monitoring.The research results show that the blasting pre-spliting roofcutting technology is suitable for the working face,and it is more reasonable to set the blasting roof cutting position at 20 mbehind the stop line.The target rock stratum of this roof cutting is 9.68 m coarse-grained sandstone main key stratum.Afterthe roof cutting,the deformation of the surrounding rock increases litle under the influence of mining,which protects theroadway in the mining area.Key words:thick coal seam;blasting pre-splitting;stopping line;mining area roadway文献标识码：BZhang Jinlong文章编号：2 0 9 5-59 7 9（2 0 2 3）0 9-0 0 40-0 4煤工作面之间的关系如图1所示，自西向东分别为1概况221区皮带下山延深、回风下山延深、轨道下山延焦家寨矿2 2 1采区下山延深共3条下山，平均深，下山之间间距31.3m和36 m。2 号煤层平均埋深超过6 0 0 m，2 2 116 工作面位于矿井+6 8 0 水厚度4.7 m，最大厚度7.3m，采用低位放顶煤回采平，扩2 2 1采区，开采2 号煤层，工作面走向长方法，采高较大，采动影响范围远，采动压力较810m，倾斜长146 m。工作面标高+7 8 98 31m，大，且3条下山均布置在煤层中，抵御矿压的能力对应地面标高+135512 6 5m，平均埋深6 8 0 m。较弱。工作面井下位于矿井深部水平，改扩建2 2 1采区下以往回采过程中，工作面停采线距离轨道下山部，上界为2 2 1采区2 2 114采空区，下界为实体煤延深约418 6 m，在工作面接近停采线时，下山层，西为2 2 1总回风巷、2 2 1轨道巷及2 2 1区皮带变形破坏严重，顶板下沉、两帮帮鼓、底板底鼓，巷，东为井田保安煤柱。大巷之间的关系及其与采巷道断面大幅收敛，为此矿方投人了大量的人力、责任编辑：张彤D0I：10.192 8 6/j.c n k i.c c i.2 0 2 3.0 9.0 10作者简介：张金龙（198 8 一），男，山西大同人，工程师。引用格式：张金龙.焦家寨矿深井高地应力切顶护大巷关键技术研究 J1.煤炭与化工，2 0 2 3，46（9）：40 43.40张金龙：焦家寨矿深井高地应力切顶护大巷关键技术研究物力对下山进行返修，返修工程量大、费用高。为了较好地保护采区巷道，防止综放工作面开采所产生的采动压力对采区巷道产生变形、甚至破坏，对矿井后期的生产和安全构成不利影响，对焦家寨矿现场进行了调研，对2 2 1采区大巷及2 2 116 工作面地质及开采条件进行分析，在此基础上提出合理的切顶卸压方案及爆破相关参数，实现巷道围岩变形的有效控制。进风巷22116工作面顶抽巷风巷区20114工作面图12 2 1区轨道下山延伸布置示意Fig.1 Layout of track downhill extension in 221 area2工作面停采线切顶卸压方案工作面开采时，产生的采动压力较大，且会超前于工作面本身向前传递。切顶卸压护大巷即在22116停采线附近采用爆破的方式切断工作面与采区大巷之间上方顶板的力学联系，使工作面内的采动压力向上方更深的地方与两侧实体煤转移，减小工作面采动应力影响范围，降低其大小，从而实现对工作面前方的采区大巷的保护作用，为矿井长期正常与安全生产提供保障。2.1切顶卸压方式的选择工作面顶板切顶卸压逐渐成为解决动压巷道高应力问题的重要技术手段，主要有爆破法和水力压裂法。爆破法是最早发展起来的，也是世界范围内应用最为广泛的卸压技术，最早应用于南非金矿，目前广泛应用于冲击地压防治、煤与瓦斯突出防治、坚硬顶板放顶等领域。水力压裂技术除了广泛应用于地应力测试外，在采空区坚硬顶板处理、煤层冲击地压防治、瓦斯突出防治和煤层瓦斯增透等方面也得到尝试和应用，从水力压裂在矿山的应用来看，应用于煤层的案例数远远多于岩层，主要原因在于煤层内应用水力压裂需要的压力不大，技术要求相对简单。考虑爆破切顶卸压相对较为成熟，能够保证定向预裂，此次焦家寨矿2 2 116 工作面确定采用爆破预裂切顶卸压。2.2预裂爆破切顶施工位置的选择工作面顶板爆破预裂切顶的位置主要有3种：2023年第9期工作面两巷深孔预裂爆破（停采线外15 30m），超前爆破，不占用工作面检修和生产时间，效率较高，不用开掘专用的工艺巷，巷道工程量少，但影响两巷的运输与维护，要求两巷的断面较大；工艺巷深孔爆破预裂（平行于采面布置，停采线外15 30 m），增加了巷道的掘进量，投资较大，采煤与掘进相互干扰，增加了生产系统的复杂性，与在两巷爆破相比，爆破孔施工深度较小，施工难度小，爆破效果较好；工作面架间深孔爆破（停采线），有利于充分利用爆炸能量，但空间小，施工难度大，安全性差。通过对上述3种位置的对比可以发现，第2 种工艺巷深孔爆破预裂掘进工程量较大，经济上不合理，而且采掘系统相互干扰，增加了生产系统的复杂性和安全隐患，第3种也存在施工难度大、安全性差的问题，而第1种则具有工程量较小、对生产影响较小的优点，只是炮孔深度较大，具有一定的施工难度。综合考虑选择第1种位置，即在两巷内布置爆破孔进行爆破预裂。同时考虑2 2 116 工作面接近停采线时，避免出现切顶后的大面积悬顶作用于支架，因此保留一定的安全距离，其安全距离应不小于老顶的周期来压步距，周期来压步距约1520m，因此确定切顶位置与停采线的距离为20 m，如图 2 所示。进风巷延顶抽巷维线回风巷21工作团图2 切顶位置布置示意Fig.2 Layout of cutting top position2.3目标切顶高度的确定切顶卸压成功的关键是实现对关键层的切顶。通过在停采线附近两巷内布置深孔炮眼，装药爆破切断关键岩层，从而减少回采过程中采动应力对大巷的破坏。根据2 2 116 工作面VI02地质钻孔资料，岩层岩性及厚度特征如图3所示，顶板上方分别为5.57m中粒砂岩、4.6 4m泥岩和9.6 8 m粗粒砂岩。通过分析，5.57 m中粒砂岩为亚关键层，直覆煤层上方，在矿山压力作用下可直接破断垮落；9.6 8 m的粗粒砂岩为主关键层，位于垮落带上部、弯曲下沉带下部，不易破断，是此次目标切顶岩层。目标切顶高度为2 4.6 m，考虑10%的岩层厚度变化，以及2 m开孔考度，实际确定切顶高度为2 5.0 6 m。416工馆2023年第9期序号岩性柱状层厚/m累厚川灰白，石英长石为泥岩9.7154粗粒砂岩3泥岩2中粒砂岩2号煤1Fig.3 VI02 geological drlling2.4两顺槽爆破切顶方案爆破参数包括炮孔深度、炮孔间距、起爆方J2#39m 47H5#68m 11J3#60m32J1#28m 67J4#68m34进风顺槽14.2m302m55.2m65m煤炭与化工备注式等。（1）炮孔直径。考虑爆破效果、施工机具以及钻眼工程量等因素，确定预裂爆破的炮孔直径为35.39全，胶结坚硬，分选不均，答有会母片灰白色，石英长石为9.6825.68主，胶结坚硬，分选不均，含有云母片灰黑色泥岩及砂质泥4.6416.00岩互层，偶而夹有细砂岩灰白色中粒石英长石5.5711.36砂岩，含有煤屑与黑色矿物，有小砾石发泥质团块5.795.79(2).0.60(0.20)1.07(0.10)(0.05)2.97图3VI02地质钻孔1oml140.9m第46 卷5055mm，可根据机具情况适当调整，钻孔直径应为 PE管外径的1.2 1.3倍。（2）炮孔深度。如前所述，为了保证切顶卸压效果，切顶的高度应进人煤层顶板的主关键层，综合考虑岩层厚度变化、开孔位置等，实际切顶高度为2 5.0 6 m，钻孔深度根据切顶高度、钻孔倾角和煤层倾角确定。（3）炮孔间距。综合考虑应力波叠加作用、顶板岩性及深孔预裂爆破等因素，借鉴深孔预裂爆破工程经验，炮孔孔底间距不超过10 m。（4）封孔长度。为保证安全及爆破效果，封孔长度应大于爆破孔长度的30%。（5）装药结构。合理的装药结构能够避免拒爆、殉爆发生，提高爆破效果。此次采用单雷管引爆，一次起爆的所有雷管采用同一段别，孔内均采用并联连接，孔间采用串联连接。采用3m长的PE管作为载体，PE管之间不需要连接，每根PE管内装1列10 卷炸药。综上分析，此次设计的钻孔布置详情如图4及表1。H4#52m19H2#29m481#25m6 害际切顶高度2 7.0 mH3#38m 32首标切顶高度2 4.6 m粗粒砂岩9.6 8 m泥岩4.6 4m中粒砂岩5.57 m2号煤4.7 0 m顶抽巷口6.8回风顺槽19.8m38.8m60.7m65.9m图4钻孔布置示意Fig.4Borehole layout表12 2 116 工作面两巷深孔预裂爆破参数Table 1 No.22116 Face two roadway deep hole pre-splitting blasting parameters孔号孔径/mm孔深/m角度/J155J255J355J455H155H255H355H455H55542装药长度/m装药量/kg装药量/卷286739476032682425662948383252196811装药结构封孔长度/m雷管/发装药段母线/m封孔段母线/m1817.72423.73332.73332.71514.71817.72423.73332.73332.75979109109495979109109105+9 1107+9 110 10+9 110 10+9 110 4+9 110 5+9 110 7+9 110 10+9 1 10 10+9 11015273510111419356811115681111182433331518243333111628361112152036张金龙：焦家寨矿深井高地应力切顶护大巷关键技术研究3应用效果分析在2 2 116 工作面对应2 2 1下山范围内每间隔50m设置1个测站，共计5组，每周观测3次，351号测站302喜测站+3号测站254号测站一*5号测站201510506/13 6/20 6/27工作面停采约2 个月后，巷道表面变形量基本保持不变，两帮变形量增幅为2 0 30 mm，顶底板增幅为30 45mm，整体变化量很小，采动压力对采区巷道围岩稳定性的影响明显减小，此卸压方式能够很好满足维护采区下山的需要。4结语针对焦家寨矿采区巷道在回采工作面采动影响下围岩控制问题，基于2 2 116 工作面实际地质条件，通过理论分析、工程类比、矿压监测等方法进行切顶卸压。2 2 116 工作面采用爆破预裂切顶卸压技术，切顶位置与停采线的距离为2 0 m，切顶目标岩层为9.6 8 m的粗粒砂岩主关键层，设计炮孔深度、炮孔直径、炮孔间距等具体参数。2 2 116 工(上接第11 页）成本，提高了采出率，保障矿井实现高产高效安全回采。参考文献：1 杨达明，郭文兵，赵高博，等.厚松散层软弱覆岩下综放开采导水裂隙带发育高度 J.煤炭学报，2 0 19，44（11）：3308-3316.2杨洋.对淮南巨厚松散层含水层下提高回采上限的探讨J.江西煤炭科技，2 0 19（4）：43-46.3张安斌，赵健，张鹏，等.巨厚松散层下导水裂隙带高度预测试验探究 J中国煤炭，2 0 16，42（3）：2 8-33.2023年第9期巷道变形速度较快时，相应增加观测次数；变形稳定后，减少至每周1 2 次。在2 2 116 工作面停采后，得到轨道下山围岩变形曲线如图5所示。601号测站50+2号测站+3号测站+4号测站405号测站2010077/47/117/187/258/18/88/15日期（a）两帮变形量Fig.5 Monitoring results of surface displacement of track downhill6/13 6/206/277/47/11 7/187/25图5轨道下山表面位移量监测结果作面进行爆破预裂切顶卸压后，采取轨道下山在采动影响下两帮移近量增幅为2 0 30 mm，顶底板增幅为30 45mm，巷道围岩稳定性良好，保护了采区巷道，满足矿井安全生产的需要。参考文献：1 司广宏，王刚，李钢.采煤工作面水力切顶卸压护巷技术应用 J1.山西焦煤科技，2 0 2 2，46（8）：10-12，2 1.2司广宏，王刚，李钢，等.煤巷群受动压扰动范围分析及护巷技术应用 J.山西煤炭，2 0 2 2，42（2）：6 1-6 73朱文庆，郝兵元，刘世涛，等.工作面末采段深孔预裂切顶护巷技术研究 J.煤炭工程，2 0 2 2，54（5）：97-10 3.4罗伟荣.综采工作面停采线优化设计及切顶护巷技术 J.江西煤炭科技，2 0 19（3）：16 0 16 2.5姜泽.12 511轨道顺槽密集钻孔卸压护巷技术应用 J.江西煤炭科技，2 0 2 3（1）：2 5-2 7，30.4张永刚，李运江，刘延欣，等.厚松散层薄基岩下煤柱留设类型转变研究 J.煤炭技术，2 0 17，36（5）：6 3-6 5.5张永刚，刘延欣，武宇亮.厚松散层薄基岩下重复采动覆岩破坏高度综合研究 J1.煤炭技术，2 0 17，36（8）：7 2-7 5.6李江华.水压作用下防砂安全煤（岩）柱失稳突水溃砂机理研究 D.徐州：中国矿业大学（北京），2 0 16.7李全生，徐祝贺，张勇，等.基于Hoek-Brown准则的薄基岩厚松散层覆岩变形破坏特征研究 J.矿业科学学报，2019,4(5):417-424.8 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制M.徐州：中国矿业大学出版社，2 0 10.8/18/88/15日期(b）顶底板变形量43