厚煤層堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)實(shí)踐

史振飛

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)有限公司伯方煤礦分公司 ，山西 高平 048400）

0 引 言

堅(jiān)硬頂板是指煤層上方直接賦存或在薄層的直接頂上面，存在厚層堅(jiān)硬的砂巖、礫巖或石灰?guī)r，具有結(jié)構(gòu)致密、完整度高、裂隙不發(fā)育等特點(diǎn)，容易發(fā)生大面積不垮落，造成頂板災(zāi)害，嚴(yán)重影響礦井安全高效生產(chǎn)[1,2]。目前，處理堅(jiān)硬頂板懸而不垮所采取的措施主要有高壓注水技術(shù)、煤柱支撐技術(shù)、局域切割技術(shù)、預(yù)裂爆破放頂?shù)燃夹g(shù)。在這些技術(shù)中，預(yù)裂爆破技術(shù)是目前處理堅(jiān)硬頂板懸露不垮的主要技術(shù)手段[3,4]。本論文以伯方煤礦3205工作面為研究背景，針對(duì)回采工作面堅(jiān)硬頂板懸露不垮現(xiàn)象，設(shè)計(jì)不同爆破參數(shù)下的預(yù)裂爆破技術(shù)方案，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定合理的爆破參數(shù)，研究成果可為類(lèi)似礦井提供借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

伯方煤礦3205工作面井下位于二盤(pán)區(qū)左翼，北部與3207工作面采空區(qū)相鄰，南部與3203工作面空區(qū)相鄰；東側(cè)與二盤(pán)區(qū)的運(yùn)輸大巷、軌道大巷和回風(fēng)大巷相接。3205工作面傾斜長(zhǎng)度157m，走向長(zhǎng)度1384m，埋深209～341m，采用一次采全高綜放開(kāi)采工藝。3205工作面主采煤層3#煤層，煤層厚度4.82～5.46m，平均 5.31m；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含 1～2 層夾矸，夾矸總厚 0.2～0.4m；煤層傾角 2～6°；平均 4°；煤層硬度f(wàn)=1～2，層理、節(jié)理為中等發(fā)育。工作面頂板強(qiáng)度低，直接頂為灰黑色粉砂巖，裂隙發(fā)育，平均厚度3.51m，抗壓強(qiáng)度 11.17～18.97MPa；基本頂粉砂巖，厚度為12.34～16.46m，平14.26m，單軸抗壓強(qiáng)度為57.44～84.62MPa，屬于堅(jiān)硬厚頂板。由于3203工作面回采期間因頂板來(lái)壓步距較大發(fā)生支架壓死現(xiàn)象，為避免安全事故的發(fā)生，決定采用頂板預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)3205工作面進(jìn)行強(qiáng)制放頂。

2 預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂布置方案

2.1 強(qiáng)制放頂方式選擇

目前，針對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破放頂?shù)姆椒ㄓ?種，即循環(huán)淺孔拉槽，中部拉槽和端部拉槽。其中，循環(huán)淺孔拉槽放頂是指工作面推進(jìn)中每隔幾個(gè)循環(huán)，沿工作面切頂線(xiàn)，全長(zhǎng)打孔進(jìn)行爆破放頂，中部拉槽放頂是通過(guò)在頂板中部爆破縮短極限垮落步距，端部拉槽控制放頂是沿工作面開(kāi)切眼全長(zhǎng)向頂板打眼爆破。3種放頂方式如圖1所示。

圖1 預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂方式

由于3205工作面為綜采面，支架安裝嚴(yán)密，循環(huán)淺孔拉槽和中部拉槽放頂方式難以施工，因此，決定在綜放面采用端部拉槽的方式進(jìn)行工作面初次強(qiáng)制放頂。其中，將拉槽地點(diǎn)布置在工作面開(kāi)切眼內(nèi)，施工場(chǎng)所相對(duì)較寬敞、安全，待工作面安裝完畢試采進(jìn)三刀后即開(kāi)始進(jìn)行拉槽作業(yè)。

2.2 切眼初次放頂方案

3205工作面沿切眼全長(zhǎng)布置炮孔，從中部開(kāi)始分別向頭尾施工放頂炮孔，共計(jì)14組，上下端頭放頂孔為每組3個(gè)，其余均為每組2個(gè)炮孔。由于井下采用ZYJ-269/168型架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆，其成孔直徑為65mm；所有炮孔仰角為60°左右；設(shè)計(jì)炮孔間距為4.2m，炮孔深度為15m，炮孔裝藥量為20kg，每孔裝藥長(zhǎng)度10m左右。3205工作面切眼炮孔參數(shù)與布置方式分別見(jiàn)表1和圖2所示。

表1 切眼預(yù)裂爆破炮孔參數(shù)表

圖2 3205工作面切眼炮眼布設(shè)方案

2.3 兩巷步距式放頂方案

為進(jìn)一步縮減縮短懸頂長(zhǎng)度，減輕對(duì)支架的沖擊載荷，在工作面初次來(lái)壓之后、第一次周期來(lái)壓之前，采用兩巷步距式爆破斷頂法對(duì)3205工作面頂板進(jìn)行輔助爆破強(qiáng)制放頂處理。為保證回風(fēng)平巷和運(yùn)輸平巷中步距式強(qiáng)制放頂?shù)男Ч?，所有步距放頂孔均按每組2個(gè)孔，孔深15m，仰角為50°和70°，水平轉(zhuǎn)角為50°和70°，沿工作面推進(jìn)方向每隔5m進(jìn)行布置，分2層設(shè)計(jì)進(jìn)行爆破強(qiáng)制放頂，起爆方式采用毫秒延時(shí)分層起爆。放頂?shù)呐诤颓醒鄯彭斉诳讌?shù)一致，即：炮孔深度為15m，炮孔裝藥量為20kg，孔徑65mm，封孔長(zhǎng)度5m，裝藥長(zhǎng)度10m。兩巷放頂炮孔布置方案如圖3。

圖3 3205工作面兩巷炮孔布設(shè)方案

3 工業(yè)性試驗(yàn)

切眼強(qiáng)制放頂工作在3205工作面試采3～4刀后開(kāi)始，炮孔距離液壓支架3m，以保證爆破不影響到支架；兩巷強(qiáng)制放頂炮孔布置則是在初次來(lái)壓之后至第一次周期來(lái)壓之前這段時(shí)間內(nèi)。放炮使用BF-200型起爆器兩臺(tái)，兩巷各一臺(tái)，起爆方式為同一巷道一次起爆，兩臺(tái)嚴(yán)禁同時(shí)使用。所有炮孔均采用煤礦許用炸藥（三號(hào)乳化粉狀炸藥），規(guī)格為Φ50mm×500mm。重量為1kg/卷，使用煤礦許用導(dǎo)爆索和煤礦許用瞬發(fā)電雷管。封孔使用黃土封實(shí)，封孔分兩次進(jìn)行，將黃土裝入規(guī)格為Φ30mm×400mm紙筒中，第1次先封至距孔口0.5m處，第2次封孔時(shí)，將雷管與導(dǎo)爆索捆綁牢固后，封土，直至全部封滿(mǎn)搗實(shí)，將外露雷管腳線(xiàn)扭接短路。炮孔均采用串聯(lián)方式聯(lián)線(xiàn)，每孔使用1個(gè)瞬發(fā)電雷管。

表2 3205工作面來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)

表3 3205工作面來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)統(tǒng)計(jì)

表4 3205工作面支架阻力統(tǒng)計(jì)

表2～表4分別為3205工作面推進(jìn)初期來(lái)壓步距、支架工作阻力和來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)統(tǒng)計(jì)情況。

由表2～表4可知：

1）3205工作面初次來(lái)壓期間煤壁片幫嚴(yán)重，支架安全閥大量開(kāi)啟，支架最大工作阻力達(dá)到7700kN以上，支架平均動(dòng)載系數(shù)為1.64，來(lái)壓強(qiáng)度較高；初次來(lái)壓步距平均為39.2m，比未實(shí)施爆破斷頂?shù)墓ぷ髅嫣崆傲思s16.4m，很大程度上降低了因頂板來(lái)壓步距大而產(chǎn)生的安全隱患。

2）3205工作面周期來(lái)壓期間煤壁片幫范圍和嚴(yán)重程度均較初次來(lái)壓階段大幅降低支架安全閥開(kāi)啟較少，一般少于30%，工作面動(dòng)載系數(shù)平均為1.41，周期來(lái)壓強(qiáng)度顯著降低；周期來(lái)壓步距平均17.6m，大幅度降低了周期來(lái)壓步距，表明對(duì)堅(jiān)硬頂板采取步距放頂是取得了良好效果的。

3）3205工作面來(lái)壓期間，支架平均阻力在5228.52～5888.24kN之間，為支架額定工作阻力的72.6%～81.7%；非來(lái)壓期間的平均支架阻力在3481.01～3744.83kN之間，為支架額定工作阻力的48.3%～52.0%，支架阻力富裕較大，未出現(xiàn)異常現(xiàn)象，表明工作面堅(jiān)硬頂板得到了有效控制。

4 結(jié) 論

1）本文基于3205工作面開(kāi)采技術(shù)條件，提出切眼爆破強(qiáng)制放頂方案和兩巷步距式爆破放頂方案，并分別設(shè)計(jì)了炮孔布置方案。其中切眼全長(zhǎng)布置放頂炮孔14組，上下端頭放頂孔為每組3個(gè)，其余均為每組2個(gè)炮孔；兩巷放頂炮孔每組2孔，仰角為50°和70°，水平轉(zhuǎn)角為50°和70°，分2層設(shè)計(jì)進(jìn)行爆破強(qiáng)制放頂；

2）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，3205工作面初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距分別為39.2m和17.6m，初次來(lái)壓步距比未實(shí)施爆破斷頂?shù)墓ぷ髅嫣崆傲思s16.4m，來(lái)壓強(qiáng)度大幅度減小，支架阻力富裕較大，未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，表明工作面采取切眼強(qiáng)制初次放頂和兩巷步距放頂方式控制頂板具有良好效果。