恒源煤業(yè)151303工作面堅硬頂板深孔預裂爆破技術研究

趙海峰

（晉煤集團澤州天安恒源煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

山西晉煤集團澤州天安恒源煤業(yè)151303工作面位于15#煤層一采區(qū)，所采煤層為15#煤層，煤層均厚2.69m，平均傾角為4°，屬全區(qū)穩(wěn)定可采中厚煤層；煤層直接頂為K2灰?guī)r，厚度較大，均厚8.63m，底板為泥巖，均厚為2.11m，工作面采用一次采全高綜采的采煤方法，由于工作面頂板較為堅硬，相鄰工作面未對頂板采取任何措施進行回采作業(yè)時，基本頂初次來壓步距為55～60m，周期來壓步距為30～35m，回采過程中煤壁片幫與支架壓架的現(xiàn)象經常發(fā)生，端頭懸頂較長，工作面端面頂板的最大下沉量大1.1m，對工作面的安全高效回采造成了較大影響，故為保障151303工作面回采工作的順利進行，現(xiàn)對采用深孔預裂爆破技術對工作面堅硬頂板進行提前處理。

2 深孔預裂爆破技術

2.1 深孔預裂爆破技術

深孔預裂爆破技術即為通過鉆孔爆破的方式對堅硬頂板進行弱化，堅硬頂板采用深孔預裂爆破技術后，隨著回采工作面的向前推進，采空區(qū)的懸頂長度會逐漸增大，頂板堅硬巖層在地應力和自重應力的作用下，會在預裂爆破孔周圍薄弱帶的位置處發(fā)生破斷，深孔預裂爆破技術的主要效果取決于預裂爆破造成巖石損傷范圍的大小，進行深孔預裂爆破作業(yè)時，其技術流程主要為：①計算分析具體巖層鉆孔周圍質點峰值震動的額速度分布；②開展現(xiàn)場深孔預裂爆破試驗，進而有效計算得出爆破預裂損傷的判別計算式；③基于質點峰值震動速度對爆破損傷的范圍進行有效預測；其質點峰值震動速度判別的計算式如下：

式中：PPV為質點峰值振動速度，m/s；[ε]為巖石的允許應變值；Cp為巖體的縱波速度，m/s；E為巖體的彈性模量，MPa；[σc]為巖體的抗壓強度，MPa；k為[σc]與[σt]之間的關系系數(shù)一般取為 1/6～1/8；[σt]為巖體的抗拉強度，MPa。

根據(jù)相關理論研究可知[1-2]，針對不同巖體進行深孔爆破作業(yè)時，其損傷爆破時質點速度的參考建議值見表1。

表1 巖石爆破損傷PPV臨界值

深孔預裂爆破技術中確定裝藥周圍巖體質點峰值速度分布及判別公式，其中炮孔質點峰值振動速度和炮孔內爆生氣體的初始壓力的表達式為：

式中：k0為一次起爆作業(yè)時與炮孔個數(shù)有關的系數(shù)；R為巖石質點與爆源之間的距離，m；b為炮孔的半徑，m；ρ為巖石的密度，kg/m3；p0為炮孔內部爆生氣體的初始壓力，MPa；ρe為炸藥的密度，kg/m3；k為絕熱指數(shù)，一般近似取為3；De為炸藥的爆速，m/s；kd為炮孔裝藥不耦合系數(shù)，kd=db/dc，其中dc為藥卷直徑；db為炮孔的直徑。根據(jù)151303工作面具體的地質條件，確定深孔預裂爆破作業(yè)采用2號煤礦許用乳化炸藥；藥卷長度為500mm，直徑為dc=60mm，爆速 De=3000 kg/m3；藥卷密度 ρe=1250 kg/m3；炮孔直徑db=75mm;取不耦合系數(shù)為1.25；將上述數(shù)據(jù)代入式（1）和（2）中能夠得出質點峰值振動速度v0=41.4m/s。

在進行正式深孔預裂爆破作業(yè)前，通過在回風巷設置炮孔深度為30m，裝藥量為69kg，裝藥長度為23m進行試驗，得出在距離深孔預裂爆破孔11m的位置處其質點振動速度為24.91cm/s，結合表1可知該參數(shù)下深孔爆破能夠對11m范圍內的巖體形成不同程度的損傷。

2.2 數(shù)值模擬分析

為有效研究進行深孔預裂爆破作業(yè)時，根據(jù)151303工作面各巖層的物理力學參數(shù)和炸藥的各項參數(shù)，采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件，對深孔預裂爆破作業(yè)時巖石合理的間距進行分析，設置鉆孔直徑為75mm，計算范圍取為4.5m，分別模擬分析深孔預裂爆破孔間距為0.8m、2m、3m和4m條件下巖石的應力分布狀態(tài)，根據(jù)數(shù)值模擬結果能夠得出不同炮孔間距下巖石的應力云圖如圖1所示。

通過具體分析圖1可知，僅改變炮眼之間的間距，其余參數(shù)不變時，炮孔周圍巖體的應力分布仍然會呈現(xiàn)出較大的差別，當炮孔間的間距為0.8m時，此時質點的峰值振動速度為263cm/s，巖石能夠得到完全破碎；當炮孔間距為2m和3m時，質點的峰值振動速度分別為115cm/s和80cm/s，據(jù)此可知在炮孔間距為2m或3m時，炮孔周圍4.5m的巖體會出現(xiàn)嚴重的徑向和拉伸裂隙；在炮孔的間距為4m時，質點的峰值振動速度為61cm/s，此時巖體僅會出現(xiàn)輕微的拉伸層裂；炮孔的間距在0.8m～4m的范圍內時，深孔爆破后巖體的應力均出現(xiàn)相互交圈的形式，但考慮到炮孔間距較小時，工作面回采作業(yè)時頂板較難管理，炮孔間距較大時，深孔預裂爆破的效果不明顯；基于上述分析，考慮到151303工作面的具體情況，在保證爆破效果的情況下，確定了深孔預裂爆破炮孔的間距為2m。

圖1 不同炮孔間距下巖石的應力云圖

2.3 方案設計

1）爆破孔直徑與長度。根據(jù)眾多相關深孔預裂爆破的理論研究與工程實踐[3-4]，深孔預裂爆破孔的直徑范圍一般在60～80mm之間，結合151303工作面的具體情況，確定爆破孔的直徑為75mm，在現(xiàn)場工程應用時，在保證爆破效果與安全的情況下，盡可能的減小爆破孔的長度，基于此確定爆破孔長度在11～42m之間。

2）爆破鉆孔布置形式。結合工作面的具體情況，確定在工作面兩回采巷道內工作面煤壁側通過開挖鉆孔硐室的方式，在硐室內打設預裂鉆孔進行超前工作面的頂板深孔爆破預裂作業(yè)，鉆場硐室尺寸為寬×深=4m×3.5m，兩回采巷道之間鉆場的間距為30m，鉆場內的爆破孔采用兩種方式布置，一種平行于工作面，另一種與巷道延伸軸線成一定的角度布置，具體鉆場硐室內的鉆孔布置形式示意如圖2所示，圖中A～E號爆破鉆孔平行于工作面呈扇形布置，用以切斷工作面推進方向上頂板的相互連結，F(xiàn)～H號鉆孔與兩巷延伸線成18°扇形布置，用以切斷工作面頂板與回采巷道一側之間的連接，具體兩回采巷道內頂板預裂鉆孔布置的各項參數(shù)見表2。

圖2 鉆場硐室內爆破鉆孔布置形式示意圖

表2 深孔預裂爆破鉆孔布置及爆破參數(shù)表

4）爆破順序及聯(lián)線方式。在151303工作面兩回采巷道進行深孔預裂爆破作業(yè)時，采用靠近工作面向遠離工作面的方式進行依次爆破作業(yè)，即爆破順序為 A、B→C、D→E、G→H→F；進行爆破作業(yè)時鉆孔的聯(lián)線方式采用局部并聯(lián)、總體串聯(lián)的方式，具體爆破孔的聯(lián)線方式如圖3所示。

圖3 爆破鉆孔雷管聯(lián)線方式示意圖

3 深孔預裂爆破效果分析

為了分析評價151303工作面深孔預裂爆破的效果，沿著工作面走向方向對部分液壓進行有效監(jiān)測，具體對工作面 1#、5#、10#、15#、90#、95#、100#和105#支架的工作阻力進行有效監(jiān)測，從工作面兩巷采用頂板深孔預裂爆破技術后進行監(jiān)測作業(yè)，進行5次周期來壓的監(jiān)測作業(yè)，通過自動記錄儀器對支架的工作阻力數(shù)據(jù)進行連續(xù)記錄，工作面測區(qū)布置如圖4所示。

圖4 工作面礦壓觀測站布置形式示意圖

根據(jù)工作面礦壓結果可知，151303工作面采用深孔預裂爆破技術后，頂板冒落較為充分，隨著回采作業(yè)的進行，采空區(qū)頂板隨著支架的移動向前移動而逐漸發(fā)生垮落，當工作面頂板出現(xiàn)來壓期間，頂板周期來壓的最大步距為22m，最小步距為13m，且工作面端頭三角區(qū)域頂板能夠充分冒落，監(jiān)測期間支架再頂板未來壓期間，其工作阻力為26～30MPa，頂板周期來壓期間工作阻力均在33～38MPa之間，基于此可知在工作面回采期間液壓支架的工作阻力較為合理，另外根據(jù)151303工作面回采過程中的現(xiàn)場觀測可知，工作面回采過程中未出現(xiàn)煤壁片幫的情況，工作面端頭頂板也表現(xiàn)為隨采隨落的情況，未出現(xiàn)懸頂情況，據(jù)此可知151303工作面堅硬頂板采用超前深孔松動爆破后有效的縮短了工作面的懸頂長度、解決了工作面煤壁易片幫及端頭懸頂過長的問題。

4 結 論

通過具體分析深孔預裂爆破技術的機理，并采用數(shù)值模擬結果對爆破孔間合理的間距進行了模擬分析，結合工作面的具體情況對超前深孔預裂爆破方案進行具體設計，151303工作面采用深孔預裂爆破技術后，基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄嘤?0～35m減小為13～22m，支架的工作阻力均正常，回采過程中無煤壁片幫語支架壓死的情況出現(xiàn)，保證了工作面的正常生產。