深部開(kāi)采中沿空留巷堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破技術(shù)研究

李鵬飛

（山西潞安集團(tuán)蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司 ，山西 蒲縣 041200）

1 工程概況

某礦己14-31010工作面下進(jìn)風(fēng)巷為沿空留巷試驗(yàn)巷道，己14-31010工作面回采高度為1.8m，工作面的長(zhǎng)度為150m，可推進(jìn)長(zhǎng)度為570m，采用綜合機(jī)械化的采煤工藝，用全部垮落法進(jìn)行頂板管理。己14-31010工作面所采煤層為己14煤層，均厚為0.5m，煤層直接頂為細(xì)砂巖，厚度在0～8m，基本頂為中粒砂巖，厚度為9～18m；直接底為均厚為2.8m砂質(zhì)泥巖，基本底為均厚1.4m的細(xì)砂巖。由于需沿空留巷的試驗(yàn)巷道頂板為堅(jiān)硬頂板，圍巖應(yīng)力環(huán)境為高附加應(yīng)力，會(huì)嚴(yán)重影響后期留巷區(qū)域的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，故需對(duì)沿空巷道堅(jiān)硬頂板進(jìn)行處理。

2 預(yù)裂爆破后堅(jiān)硬頂板結(jié)構(gòu)分析

2.1 堅(jiān)硬頂板破斷結(jié)構(gòu)的形成

預(yù)裂爆破時(shí)施工位置在超前工作面的一定位置處，通過(guò)爆破在鉆孔間形成大量裂隙，讓破碎巖石與裂隙形成貫通從而對(duì)爆破區(qū)域的頂板形成弱化作用，在工作面回采后頂板會(huì)在上覆巖層壓力和自重應(yīng)力的綜合作用下沿著頂板弱化區(qū)域破斷，預(yù)裂爆破后基本頂可能形成鉸接結(jié)構(gòu)或直接切落[1,2]，為達(dá)到充分卸壓的目的，通過(guò)合理控制爆破參數(shù)能夠讓基本頂沿著爆破線直接切落到采空區(qū)。

2.2 預(yù)裂爆破形成切落結(jié)構(gòu)的條件

由上述分析知爆破后基本頂破斷形成兩種結(jié)構(gòu)，分別為鉸接結(jié)構(gòu)和直接切落，為達(dá)到對(duì)沿空巷道充分卸壓，現(xiàn)想通過(guò)爆破使得塊體B沿著爆破線切落，對(duì)于塊體B切落時(shí)需滿足的表達(dá)式，通過(guò)對(duì)鉸接結(jié)構(gòu)的幾何條件和條件進(jìn)行分析得出表達(dá)式，則塊體B沿著爆破線切落的條件即為與鉸接結(jié)構(gòu)相反。

圖1 鉸接結(jié)構(gòu)的幾何模型

鉸接結(jié)構(gòu)幾何條件：根據(jù)預(yù)裂爆破后會(huì)產(chǎn)生一定寬度的弱化的區(qū)域，用2R表示弱化區(qū)域的寬度，建立如圖1所示幾何關(guān)系模型，下面通過(guò)討論分析關(guān)鍵塊體B斷裂后形成鉸接結(jié)構(gòu)的幾何條件，圖1中L為長(zhǎng)度，h為堅(jiān)硬頂板的厚度，m為煤層厚度，s為關(guān)鍵塊體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中垂直下降時(shí)的位移。

關(guān)鍵塊體B通過(guò)旋轉(zhuǎn)接觸到巷道底板E點(diǎn)，若塊體B旋轉(zhuǎn)后仍未能夠與垮落塊體接觸便形不成鉸接結(jié)構(gòu)，用A、C表示鉸接結(jié)構(gòu)的鉸接點(diǎn)，則在極限狀態(tài)下形成鉸接結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系為：

根據(jù)鉸接結(jié)構(gòu)的幾何模型中關(guān)系有：

當(dāng)滿足式（3）時(shí)便能夠保證塊體之間相互接觸，當(dāng)A下沉量過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致B塊體直接垮落到采空區(qū)，另外在R較大時(shí)，會(huì)使得式（3）無(wú)法成立，塊體無(wú)法接觸，B塊體形成切落結(jié)構(gòu)垮落到采空區(qū)，故能夠通過(guò)控制爆破參數(shù)擴(kuò)大爆破弱化區(qū)域，使得關(guān)鍵塊體切落到采空區(qū)，達(dá)到充分卸壓目的。

鉸接結(jié)構(gòu)平衡條件：在結(jié)構(gòu)塊體幾何參數(shù)滿足式（3）后能夠保證塊體間相互接觸，現(xiàn)討論塊體接觸后的平衡條件，建立鉸接模型如圖2所示，圖中FB為關(guān)鍵塊體的上覆荷載及其自重，T為塊體間的水平推力。

圖2 鉸接塊體平衡模型

通過(guò)對(duì)鉸接點(diǎn)A取距為0，能夠得出水平推力和鉸接點(diǎn)剪切力的表達(dá)式為：

當(dāng)水平推力產(chǎn)生的摩擦阻力與剪切力相等時(shí)為極限平衡狀態(tài)，鉸接平衡條件為Q≤Ttanφ[3]，將式（4）帶入鉸接平衡條件有：

根據(jù)式（3）和（5）能夠得出結(jié)構(gòu)塊體B形成切落結(jié)構(gòu)的幾何與平衡條件的表達(dá)式為：

3 預(yù)裂爆破技術(shù)方案與效果

3.1 預(yù)裂爆破技術(shù)方案

對(duì)沿空巷道堅(jiān)硬頂板的預(yù)裂爆破技術(shù)主要包括兩個(gè)方面：①超前工作面傾向深孔放頂爆破技術(shù)，②超前工作面走向小水平轉(zhuǎn)角鉆孔群切頂爆破技術(shù)。

3.1.1 超前傾向深孔放頂爆破技術(shù)

該技術(shù)就是在超前工作面的一定距離，先在頂板巖層中施工長(zhǎng)鉆孔，隨后進(jìn)行爆破作業(yè)，從而在頂板巖層形成人工弱化帶，當(dāng)工作面回采后，工作面采動(dòng)裂隙與人工爆破裂隙會(huì)相互作用，能夠改變沿空留巷頂板巖層的物理力學(xué)性質(zhì)與巖層結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到改變工作面附近應(yīng)力峰值，降低應(yīng)力峰值，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板的整體性控制。炮孔布置參數(shù)主要如下：

1）炮孔布置方式。炮孔布置方式主要有兩種為單向鉆孔法和雙向鉆孔法，在綜合考慮施工組織安排上的問(wèn)題，對(duì)己14-31010下進(jìn)風(fēng)巷采用單孔鉆孔法進(jìn)行放頂爆破作業(yè)，在工作面下風(fēng)巷沿著煤層傾向?qū)敯鍘r層進(jìn)行打孔，每一組爆破孔由1個(gè)老頂切斷孔、2個(gè)端頭切斷孔和1個(gè)塊度控制孔組成。

2）炮孔直徑。另外采用大孔徑炮孔能夠取得較好的超前深孔預(yù)裂松動(dòng)爆破效果，故該次施工時(shí)炮孔直徑為75mm；

3）炮孔間距。綜合考慮鉆場(chǎng)布置情況與炮孔布置方式，選定炮孔的間距為35m，端頭切斷孔與基本頂切斷孔之間成小組布置，組間上下間距為0.5m，塊度控制孔距老頂?shù)木嚯x為2m；

4）炮孔水平轉(zhuǎn)角。根據(jù)工作面的長(zhǎng)度、頂板裂隙產(chǎn)狀、鉆機(jī)的性能等因素確定炮孔的水平轉(zhuǎn)角[4]，綜合以上因素確定端頭斷孔的水平轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)為25°，工作面老頂切斷孔轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)為80°；

5）炮孔深度及末端高度。根據(jù)鉆孔布置方式、孔底距巷道的水平距離及工作面長(zhǎng)度有關(guān)[5]，同時(shí)在巷道與孔底之間留有足夠長(zhǎng)的隔離帶來(lái)保證巷道不受爆破作業(yè)的影響。在采用單向鉆孔法布置炮眼時(shí)，炮孔深度lb的計(jì)算表達(dá)式為：

式中：L為開(kāi)采工作面的長(zhǎng)度，l為孔底距巷道的水平距離，α為炮孔與巷道的夾角，β為炮孔與工作面的夾角。故根據(jù)上式結(jié)合鉆孔參數(shù)能夠得出端頭切斷孔炮孔深度為16mm，老頂切斷炮孔深度為81mm，塊度控制孔的深度為59m；在考慮到堅(jiān)硬頂板的厚度為16mm，為充分切斷堅(jiān)硬頂板故將塊度控制孔和老頂切斷孔的末端高度設(shè)計(jì)為16m，端頭切斷孔末端設(shè)計(jì)高度為8m。

6）炮孔傾角。根據(jù)炮孔水平轉(zhuǎn)角、末端高度及水平轉(zhuǎn)角確定后，再結(jié)合煤層傾角能夠計(jì)算得出炮孔傾角，計(jì)算表達(dá)式如下：

式中：d為炮孔在水平面上的投影長(zhǎng)度，h為孔底的垂直高度；根據(jù)式（8）能夠得出端頭切斷孔的仰角為39°，老頂切斷炮孔的仰角為21°，塊度控制孔的仰角為39°。

3.1.2 走向小水平轉(zhuǎn)角鉆孔群切頂爆破技術(shù)

在對(duì)堅(jiān)硬頂板沿空留巷結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出采用走向小水平轉(zhuǎn)角鉆孔群切頂爆破技術(shù)對(duì)巷道頂板進(jìn)行卸壓，擬采用2組6個(gè)走向鉆孔對(duì)頂板基本頂進(jìn)行處理，為使基本頂在墻體外側(cè)破斷，從而調(diào)整堅(jiān)硬頂板破斷的結(jié)構(gòu)位態(tài)，對(duì)留巷區(qū)域的圍巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到控制圍巖變形的目的，具體爆破鉆孔參數(shù)與布置方式如圖3所示，走向鉆孔切頂爆破參數(shù)如表1所示。

圖3 走向切頂爆破孔鉆孔布置圖

表1 走向鉆孔切頂爆破參數(shù)

故根據(jù)上述可知己14-31010工作面下進(jìn)風(fēng)巷堅(jiān)硬頂板沿空留巷爆破總體鉆孔布置方案如圖4所示。

圖4 沿空留巷堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破鉆孔布置示意圖

3.2 預(yù)裂爆破效果

在對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破后通過(guò)對(duì)己14-31010工作面液壓支架工作阻力進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，能夠通過(guò)礦壓觀測(cè)得出工作面來(lái)壓周期與來(lái)壓步距，充分了解工作面的壓力變化情況，將工作面液壓支架的觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖5所示。

圖5 工作面支架阻力變化曲線圖

通過(guò)對(duì)圖5工作面液壓支架支護(hù)阻力進(jìn)行分析能夠看出在觀測(cè)60天內(nèi)，液壓支架的阻力出現(xiàn)5個(gè)明顯的波峰，分別為5月8日工作面推進(jìn)120m的位置處，5月17日工作面推進(jìn)144m的位置處，6月16日工作面推進(jìn)196m的位置處及6月29日工作面推進(jìn)226m的位置處，通過(guò)曲線中五個(gè)波峰的位置能夠分析得出工作面的四次周期來(lái)壓步距分別為24m、25m、27m和30m，故綜上可知該工作面周期來(lái)壓步距平均在20～30m，與未進(jìn)行頂板預(yù)裂爆破時(shí)工作面的周期來(lái)壓步距相比縮短了10m左右，另外在回采過(guò)程中液壓支架的壓力相應(yīng)變小，未出現(xiàn)過(guò)壓架現(xiàn)象，為工作面回采的正常進(jìn)行提高了保障；在對(duì)頂板進(jìn)行強(qiáng)制放頂后，礦壓顯現(xiàn)劇烈程度明顯降低，有效的對(duì)沿空留巷區(qū)域的高應(yīng)力進(jìn)行了弱化，有效的保護(hù)了充填墻體穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)分析知基本頂爆破后會(huì)出現(xiàn)鉸接和直接切落兩種形式，并對(duì)鉸接結(jié)構(gòu)的平衡條件與幾何條件分析，得出形成充分卸壓的切落結(jié)構(gòu)可通過(guò)增大爆破區(qū)半徑實(shí)現(xiàn)，并給出形成切落結(jié)構(gòu)的表達(dá)式。

2）針對(duì)己14-31010工作面實(shí)際情況選用傾向與走向相結(jié)合的超前深孔預(yù)裂爆破鉆孔技術(shù)對(duì)己14-31010工作面下進(jìn)風(fēng)巷的堅(jiān)硬頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破。

3）根據(jù)實(shí)測(cè)礦壓數(shù)據(jù)能夠得出進(jìn)行預(yù)裂爆破后工作面的周期來(lái)壓步距縮小10m，且工作面回采時(shí)礦壓顯現(xiàn)程度明顯減小，有效的保護(hù)了沿空留巷充填墻的穩(wěn)定性。