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摘 要 东坡煤矿2109试验工作面位于采区西翼的中部，受到2107采空区的采动影响，上顺槽动压显现强烈，巷道维护难度很大。根据该采区的采掘规划，后续工作面仍将面临动压巷道的支护难题。动压巷道矿压显现强烈与相邻采空区的顶板运移过程密切相关，且该影响过程将贯穿于巷道的服务期间。综合考虑支护成本与巷道支护效果，建议采用聚能穴爆破侧向切顶工艺，即上一个工作面回采期间，在与下一个工作面相邻的巷道内采用人工爆破，及时切落顶板，以消除对接续工作面的动压影响。
关键词 聚能穴爆破；侧向切顶
【分类号】：TD235
1 概况
东坡矿位于渭北煤田，主采石炭纪5-2煤层，厚度1.6～4.44m，平均2.85m，属于复杂结构较稳定煤层，倾角4～12°，一般含0.1～0.2m碳质泥岩夹矸2层，最多达3层，其硬度F=1.5～2.0，设计产量为90万t/a。实验巷道为2109工作面上顺，直接顶厚度0～5.0m，由砂质泥岩、5-1煤层、炭质泥岩组成。基本顶为厚层状的细-中粗粒砂岩，一般厚度8～12m，标志层为坚硬致密的K4砂岩。底板为坚硬致密的K3石英砂岩。受到2107工作面的回采影响，特别是老顶K4砂岩的侧向悬顶影响，2109上顺掘巷期间巷道动压显现强烈，底鼓、两帮回弹量较大，复合顶板松散破碎严重，多处面临巷道返修。因此，根据聚能穴爆破原理，对2107工作面下顺进行侧向切顶，之后不但可实现小煤柱开采，而且对2109工作面巷道变形都有一定的缓解作用。
2 聚能穴爆破侧向切顶工艺简介
传统的爆破方式与聚能穴爆破最大的差异就是裂隙扩展方向不可控。传统的深孔爆破，其效果是将岩石向炮孔四周崩出裂隙，而聚能定向爆破，可使爆破产生的主裂隙按指定方向进行扩展。由于传统爆破裂隙像四周扩展，且扩展程度未知，很可能将巷道上方顶板随机炸断，造成回采巷道支护失效，极易造成伤人事故，工作面侧向切顶不能采用传统的普通爆破。
聚能穴爆破是在炸药被筒上留设有“V”字形聚能槽，当炸药起爆后，产生的高温高压的爆轰产物会优先沿着聚能槽的方向释放，即大部分能量朝着给定方向，可按照设定方向对岩石拉裂成缝。聚能爆破所需的炸药被筒如图2-1所示，炸药被筒为带有紫铜材质的V字形聚能槽，高温高压的爆轰产物能够沿着给定的方向将岩石切断。
图2-1 聚能爆破模拟效果及炸药被筒实物
当工作面正常向前回采时，在巷道上方沿走向根据聚能定向爆破原理在给定位置将顶板拉裂成缝，其作用不但可以降低巷道煤柱内的应力集中，减小煤柱塑性破坏区范围，而且对下个工作面的巷道底鼓、帮鼓会起到一定的缓和作用，因为巷道底鼓多是由于邻近上个工作面顶板应力集中造成的。工作面侧向顶板断裂时，如果顶板断裂位置在煤柱上方如图2-2所示，则煤柱作为岩梁一端的承载基，必然受力集中，煤柱塑性区范围大，留设煤柱尺寸也就相应的大，浪费煤炭资源。另一种情况，当顶板断裂线位于采空区上方如图2-3所示，则煤柱上方顶板为一悬臂梁结构，悬臂梁受力完全作用在煤柱上，同样煤柱塑性区范围大，需要留设较大的煤柱。
图2-2顶板断裂位于煤柱上方
图2-3 顶板断裂位于采空区上方
因此，可采用工作面侧向切顶的办法解决上述问题，降低应力集中现象，如图2-4所示，工作面侧向切顶一般可将煤柱从30m减小到5m，此外下个工作面巷道的帮鼓、底鼓现象会明显得到改善，大大减少维修巷道成本。
图2-4 顶板断裂位于煤柱边缘
3 2107工作面侧向切顶方案
2107工作面走向长度1500m，倾斜长度150m。根据前述理论，拟对2107工作面进行侧向切顶，之后不但可实现小煤柱开采，而且对2109工作面巷道底鼓变形等都有一定的缓解作用。煤柱尺寸可从以往的30m缩减至5m，可多回采煤炭8.97万t，按售价240元/t，则新增经济收入2150万元。此外2109工作面巷道维护费用也可大大减少，经济效益可观。
图3-1 工作面侧向切顶前、后煤柱尺寸变化
侧向切顶的位置如图3-2所示，在2107工作面回采时，采用深-浅孔相结合的方式沿着图中侧向切顶线处施工一组炮孔，将顶板切断。深孔与浅孔位置参数如图3-3所示。
图3-2 侧向切顶位置
图3-3 侧向切顶炮孔位置图
深孔编号S1、S2、S3……，斜长24m，间隔10m。为了便于装药，钻孔仰角取40度，封孔长度6m，炮孔直径94mm（孔内药卷直径75mm），即深孔只将老顶切断；浅孔编号Q1、Q2、Q3……，长度4m，间隔5m，垂直向上（方便用锚索钻机施工），封孔长度1m，炮孔直径45mm（孔内药卷直径36mm），浅孔可将巷道支护范围的顶板切断。
按走向1500m计算，则：
（1）炮孔总数量：深孔个数150个、浅孔个数300个。
（2）炸药用量：深孔装药总长度为150×18=2700m，每米装药约2.4kg，则深孔需炸药6480kg；浅孔总装药长度为300×3=900m，每米装药约1.5kg，则浅孔共需炸药1350kg；即炸药总量约为7.8t。
（3）导爆索用量：深孔需使用煤矿许用导爆索，按每个孔内2根导爆索，则共需5400m。
（4）雷管数量：使用瞬发6号电雷管，深孔每个2发、浅孔每个1发，共需600发雷管。
（5）施工安排：深孔和浅孔都可以在工作面回采前安排打钻队伍进行施工好，当炮孔口距离工作面10m左右时装药、距工作面2m时起爆，封口效果好则起爆后巷道顶板应该不会破坏，但仍需用单体护好端头顶板，預计工作面推过5m后顶板会切落。
4 经济效益分析
工作面侧向切顶需要投入的材料其中主要包括打钻、装药爆破工程量及火工用品成本。
打钻机具：深孔施工需2台坑道钻机（5-2煤层综采面每天推进3～5m，1台钻机满足打钻进度），浅孔需2台锚索钻机，钻机、钻杆、钻头等共约20万元。
火工用品：炸药费用为7.8t×0.8万元/t=6.24万元，导爆索费用为5400m×8元/m=4.32万元，雷管0.3万元。火工用品共需费用为10.86万元。
工人工资：打钻需3人每班，按每天3班加上班长共需10人，按当地工资福利4000元/月，施工完所有炮孔耗时约2个月，则共需8万元。
总费用：上述各项总费用为20+10.86+8=38.86万元。
采用侧向切顶煤柱宽度可从以往的30m缩减至5m，可多回采煤炭8.97万t，按售价240元/t，则新增经济收入2150万元。2109工作面巷道维护费用也可大大减少，经济效益可观。
参考文献：
[1] 姚永，马超.联合支护技术与爆破切顶在沿空留巷中的应用[J].科技创新导报，2011， （33）
[2] 张国锋，何满潮，俞学平.白皎矿保护层沿空切顶成巷无煤柱开采技术研究[J].采矿与安全工程学报，2013，（15）
[3] 付祥明，刘宁.浅谈切顶爆破卸压技术在沿空留巷中应用的探讨[J].价值工程，2013，（7）
关键词 聚能穴爆破；侧向切顶
【分类号】：TD235
1 概况
东坡矿位于渭北煤田，主采石炭纪5-2煤层，厚度1.6～4.44m，平均2.85m，属于复杂结构较稳定煤层，倾角4～12°，一般含0.1～0.2m碳质泥岩夹矸2层，最多达3层，其硬度F=1.5～2.0，设计产量为90万t/a。实验巷道为2109工作面上顺，直接顶厚度0～5.0m，由砂质泥岩、5-1煤层、炭质泥岩组成。基本顶为厚层状的细-中粗粒砂岩，一般厚度8～12m，标志层为坚硬致密的K4砂岩。底板为坚硬致密的K3石英砂岩。受到2107工作面的回采影响，特别是老顶K4砂岩的侧向悬顶影响，2109上顺掘巷期间巷道动压显现强烈，底鼓、两帮回弹量较大，复合顶板松散破碎严重，多处面临巷道返修。因此，根据聚能穴爆破原理，对2107工作面下顺进行侧向切顶，之后不但可实现小煤柱开采，而且对2109工作面巷道变形都有一定的缓解作用。
2 聚能穴爆破侧向切顶工艺简介
传统的爆破方式与聚能穴爆破最大的差异就是裂隙扩展方向不可控。传统的深孔爆破，其效果是将岩石向炮孔四周崩出裂隙，而聚能定向爆破，可使爆破产生的主裂隙按指定方向进行扩展。由于传统爆破裂隙像四周扩展，且扩展程度未知，很可能将巷道上方顶板随机炸断，造成回采巷道支护失效，极易造成伤人事故，工作面侧向切顶不能采用传统的普通爆破。
聚能穴爆破是在炸药被筒上留设有“V”字形聚能槽，当炸药起爆后，产生的高温高压的爆轰产物会优先沿着聚能槽的方向释放，即大部分能量朝着给定方向，可按照设定方向对岩石拉裂成缝。聚能爆破所需的炸药被筒如图2-1所示，炸药被筒为带有紫铜材质的V字形聚能槽，高温高压的爆轰产物能够沿着给定的方向将岩石切断。
图2-1 聚能爆破模拟效果及炸药被筒实物
当工作面正常向前回采时，在巷道上方沿走向根据聚能定向爆破原理在给定位置将顶板拉裂成缝，其作用不但可以降低巷道煤柱内的应力集中，减小煤柱塑性破坏区范围，而且对下个工作面的巷道底鼓、帮鼓会起到一定的缓和作用，因为巷道底鼓多是由于邻近上个工作面顶板应力集中造成的。工作面侧向顶板断裂时，如果顶板断裂位置在煤柱上方如图2-2所示，则煤柱作为岩梁一端的承载基，必然受力集中，煤柱塑性区范围大，留设煤柱尺寸也就相应的大，浪费煤炭资源。另一种情况，当顶板断裂线位于采空区上方如图2-3所示，则煤柱上方顶板为一悬臂梁结构，悬臂梁受力完全作用在煤柱上，同样煤柱塑性区范围大，需要留设较大的煤柱。
图2-2顶板断裂位于煤柱上方
图2-3 顶板断裂位于采空区上方
因此，可采用工作面侧向切顶的办法解决上述问题，降低应力集中现象，如图2-4所示，工作面侧向切顶一般可将煤柱从30m减小到5m，此外下个工作面巷道的帮鼓、底鼓现象会明显得到改善，大大减少维修巷道成本。
图2-4 顶板断裂位于煤柱边缘
3 2107工作面侧向切顶方案
2107工作面走向长度1500m，倾斜长度150m。根据前述理论，拟对2107工作面进行侧向切顶，之后不但可实现小煤柱开采，而且对2109工作面巷道底鼓变形等都有一定的缓解作用。煤柱尺寸可从以往的30m缩减至5m，可多回采煤炭8.97万t，按售价240元/t，则新增经济收入2150万元。此外2109工作面巷道维护费用也可大大减少，经济效益可观。
图3-1 工作面侧向切顶前、后煤柱尺寸变化
侧向切顶的位置如图3-2所示，在2107工作面回采时，采用深-浅孔相结合的方式沿着图中侧向切顶线处施工一组炮孔，将顶板切断。深孔与浅孔位置参数如图3-3所示。
图3-2 侧向切顶位置
图3-3 侧向切顶炮孔位置图
深孔编号S1、S2、S3……，斜长24m，间隔10m。为了便于装药，钻孔仰角取40度，封孔长度6m，炮孔直径94mm（孔内药卷直径75mm），即深孔只将老顶切断；浅孔编号Q1、Q2、Q3……，长度4m，间隔5m，垂直向上（方便用锚索钻机施工），封孔长度1m，炮孔直径45mm（孔内药卷直径36mm），浅孔可将巷道支护范围的顶板切断。
按走向1500m计算，则：
（1）炮孔总数量：深孔个数150个、浅孔个数300个。
（2）炸药用量：深孔装药总长度为150×18=2700m，每米装药约2.4kg，则深孔需炸药6480kg；浅孔总装药长度为300×3=900m，每米装药约1.5kg，则浅孔共需炸药1350kg；即炸药总量约为7.8t。
（3）导爆索用量：深孔需使用煤矿许用导爆索，按每个孔内2根导爆索，则共需5400m。
（4）雷管数量：使用瞬发6号电雷管，深孔每个2发、浅孔每个1发，共需600发雷管。
（5）施工安排：深孔和浅孔都可以在工作面回采前安排打钻队伍进行施工好，当炮孔口距离工作面10m左右时装药、距工作面2m时起爆，封口效果好则起爆后巷道顶板应该不会破坏，但仍需用单体护好端头顶板，預计工作面推过5m后顶板会切落。
4 经济效益分析
工作面侧向切顶需要投入的材料其中主要包括打钻、装药爆破工程量及火工用品成本。
打钻机具：深孔施工需2台坑道钻机（5-2煤层综采面每天推进3～5m，1台钻机满足打钻进度），浅孔需2台锚索钻机，钻机、钻杆、钻头等共约20万元。
火工用品：炸药费用为7.8t×0.8万元/t=6.24万元，导爆索费用为5400m×8元/m=4.32万元，雷管0.3万元。火工用品共需费用为10.86万元。
工人工资：打钻需3人每班，按每天3班加上班长共需10人，按当地工资福利4000元/月，施工完所有炮孔耗时约2个月，则共需8万元。
总费用：上述各项总费用为20+10.86+8=38.86万元。
采用侧向切顶煤柱宽度可从以往的30m缩减至5m，可多回采煤炭8.97万t，按售价240元/t，则新增经济收入2150万元。2109工作面巷道维护费用也可大大减少，经济效益可观。
参考文献：
[1] 姚永，马超.联合支护技术与爆破切顶在沿空留巷中的应用[J].科技创新导报，2011， （33）
[2] 张国锋，何满潮，俞学平.白皎矿保护层沿空切顶成巷无煤柱开采技术研究[J].采矿与安全工程学报，2013，（15）
[3] 付祥明，刘宁.浅谈切顶爆破卸压技术在沿空留巷中应用的探讨[J].价值工程，2013，（7）