堅(jiān)硬頂板綜采面初采深孔預(yù)裂爆破技術(shù)研究

楊世春

（西山煤電集團(tuán)公司西曲煤礦，山西 古交 030200）

許多礦井在開(kāi)采過(guò)程中，煤層的直接頂或老頂為高強(qiáng)度堅(jiān)硬頂板，煤層開(kāi)采后懸頂?shù)臅r(shí)間長(zhǎng)，不易冒落，增加了頂板管理難度。若不進(jìn)行強(qiáng)制放頂，容易造成大面積來(lái)壓等安全隱患[1]。對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行切割強(qiáng)制放頂，不僅可以消除大面積頂板冒落產(chǎn)生的沖擊礦壓災(zāi)害隱患，還可以有效改善工作面巷道的圍巖應(yīng)力環(huán)境，減少巷道變形，利于巷道維護(hù)，從而推進(jìn)礦井的安全高效生產(chǎn)[2-3]。鑒于此，西曲煤礦針對(duì)18403綜采工作面賦存條件，工作面開(kāi)采初期直接頂初次來(lái)壓步距較大，為了使直接頂板盡早垮落，切斷頂板巖層礦壓傳播途徑，采取深孔預(yù)裂爆破方法弱化處理頂板，解決工作面開(kāi)采初期存在采空區(qū)、端頭懸頂問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采。在工作面正常回采過(guò)程中，不需要進(jìn)行爆破預(yù)裂頂板。

1 工程概況

1.1 工作面概況

18403工作面開(kāi)采8#煤層，井下位于南四盤(pán)區(qū)南部，東部為南983運(yùn)輸大巷，南部為未開(kāi)采的18402工作面，北部為已回采完的18404工作面。18403工作面上覆4#煤14402、14403采空區(qū)，層間距為52～60 m；上覆2#煤12403、12404和12405采空區(qū)，層間距為65～70 m?？拷醒畚髂喜?70 m處和360 m處上覆已關(guān)閉的永樹(shù)曲煤礦、華山煤礦2#、4#煤小窯破壞區(qū)。預(yù)計(jì)工作面回采后對(duì)相鄰巷道及工作面無(wú)影響。

18403工作面走向長(zhǎng)度186+561 m，傾斜長(zhǎng)度197/240 m。采用傾斜長(zhǎng)壁后退式、一次采全高、全部垮落法綜合機(jī)械化采煤法。8#煤層厚度3.85～4.15 m，平均厚度4.05 m，煤層傾角2°～7°，平均4°，煤層埋藏深度為在162～191 m左右。工作面布置見(jiàn)圖1。

圖1 18403工作面布置

1.2 工作面頂?shù)装鍡l件

偽頂：炭質(zhì)泥巖，厚度0.4 m，褐灰色炭質(zhì)泥巖，炭化程度較高。

直接頂：石灰?guī)r，厚度2.4 m，質(zhì)不純，灰色石灰?guī)r，有方解石脈，底部炭質(zhì)動(dòng)物化石多，底部有0.10 m泥巖，抗壓強(qiáng)度102.74 MPa，普氏硬度系數(shù)10.56，致密、堅(jiān)硬。

老頂：細(xì)粒砂巖，厚度5.64 m，深灰色細(xì)砂巖，分選差，含少量植物化石。

直接底：細(xì)砂巖，厚度1.54 m，深灰色細(xì)砂巖，具波狀層理夾方解石細(xì)脈。抗壓強(qiáng)度為55.89 MPa，普氏硬度系數(shù)10.56。

老底：粉砂巖，厚度3.13 m，深灰色粉砂巖，含云母片黑色礦物及炭化屑多。

2 正副兩巷支護(hù)方式

18403工作面正巷（膠帶順槽）、副巷（回風(fēng)順槽） 毛斷面積尺寸為4.5 m×3.5 m。頂錨桿采用Φ20 mm×1800 mm的無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，并配套碟形鐵托片，頂錨桿為矩形布置，每排打設(shè)4根，采用斜孔碟形鐵托片。正巷頂錨桿間排距為1.2 m×1.2 m，副巷為1.3 m×1.2 m。幫錨桿采用Φ20 mm×1800 mm的無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，幫錨桿為五花形布置，正巷幫錨桿間排距為1.0 m×1.0 m，副巷為1.0 m×1.2 m。副巷第一排幫錨桿距頂板為0.6 m，頂板裂隙發(fā)育時(shí)掛1.2 m×3.9 m的鋼筋網(wǎng)，兩幫滾幫大時(shí)掛設(shè)2.3 m×4.0 m的鐵絲網(wǎng)。

工作面切眼處，擴(kuò)幫段原巷道為純錨巷道，采用錨桿+點(diǎn)柱支護(hù)，見(jiàn)圖2。擴(kuò)幫段頂錨桿為矩形布置，間排距為1.2 m×1.2 m。擴(kuò)幫段幫錨桿為五花形布置，間排距為1.0 m×1.0 m，第一排幫錨桿距頂板0.6 m。打設(shè)帶帽點(diǎn)柱兩排，間排距為2.9 m×1.2 m，長(zhǎng)度為3.5 m，規(guī)格為直徑Φ20 mm×220 m m的優(yōu)質(zhì)紅松圓木，點(diǎn)柱柱窩深100 mm，柱帽規(guī)格（長(zhǎng)×寬×高）600 mm×200 mm×100 mm。

擴(kuò)幫段原巷道為架棚巷道時(shí)，采用錨桿+木棚+點(diǎn)柱聯(lián)合支護(hù)，見(jiàn)圖3。木棚采用“一梁四柱”，棚距為1.2 m。擴(kuò)幫段頂錨桿為矩形布置，間排距為1.1 m×1.2 m。棚梁長(zhǎng)度為7.0 m，規(guī)格為Φ20 mm×240 mm的優(yōu)質(zhì)紅松圓木，棚腿長(zhǎng)度為3.3 m，規(guī)格為Φ20 mm×220 mm的優(yōu)質(zhì)紅松圓木。點(diǎn)柱打設(shè)兩排，間排距為2.9 m×1.2 m，長(zhǎng)度為3.3 m，規(guī)格為直徑Φ20 mm×220 mm的優(yōu)質(zhì)紅松圓木。棚腿及點(diǎn)柱柱窩深100 mm。

圖2 純錨巷道擴(kuò)幫段原巷道

圖3 架棚巷道擴(kuò)幫段原巷道

3 工作面初采頂板深孔預(yù)裂爆破方案設(shè)計(jì)

3.1 頂板弱化處理方法選擇

直接頂為石灰?guī)r，厚度一般2.4 m左右，巖層致密、堅(jiān)硬?；夭蛇^(guò)程中頂板不易垮落，易在端頭形成大面積懸頂。由于8#煤層頂板石灰?guī)r吸水率較低，且注水軟化周期長(zhǎng)，不宜采用。高壓注水壓裂與頂板注入膨脹劑也僅在試驗(yàn)階段。爆破弱化在我國(guó)煤礦開(kāi)采初始就已使用，各項(xiàng)措施完善，技術(shù)成熟。

綜上所述，18403工作面頂板宜選用開(kāi)切眼深孔預(yù)裂爆破方法進(jìn)行弱化處理。

3.2 深孔預(yù)裂爆破技術(shù)參數(shù)

（1）炮孔布置

18403工作面初采期共施工炮孔241個(gè)，炮孔深度為7 m ，炮孔均垂直于頂板。施工炮孔總長(zhǎng)1687 m。根據(jù)現(xiàn)有條件，炮孔直徑42 mm，炸藥為三級(jí)煤礦許用乳化炸藥，藥卷規(guī)格為Φ35 mm×200 mm，200 g/卷，徑向裝藥不耦合系數(shù)為1.2。

18403工作面開(kāi)采前，由于工作面切眼設(shè)備已經(jīng)安裝好，故切眼炮孔施工在工作面安裝試運(yùn)轉(zhuǎn)割煤3刀后進(jìn)行，此時(shí)切眼內(nèi)有2.0～2.4 m空間，能夠滿足打鉆空間。正、副巷炮孔可提前布置。

a、切眼炮孔布置

在切眼兩端布置兩排炮孔，范圍分別為：副巷內(nèi)幫到切眼內(nèi)60 m范圍（共計(jì)79個(gè)）；正巷內(nèi)幫到切眼內(nèi)50 m范圍（共計(jì)65個(gè)）。

炮孔間距1.5 m，排距0.6～0.8 m（考慮頂板錨桿位置，可在此范圍內(nèi)調(diào)整），靠近采空區(qū)幫的一排炮孔距外幫0.5～0.7 m（考慮頂板錨桿位置，可在此范圍內(nèi)調(diào)整），兩排炮孔交替布置。

炮孔直徑定為42 mm，炮孔深度為7 m ，炮孔垂直于頂板。

b、正、副巷炮孔布置

①正巷炮孔布置

沿正巷軸向方向布置一排炮孔，炮孔間距為1.0 m，距外幫1.0～1.2 m（考慮頂板錨桿位置，可在此范圍內(nèi)調(diào)整）。炮孔編號(hào)分別用符號(hào)Z1、Z2、Z3……表示，共40個(gè)，最靠近切眼外幫的炮孔距切眼采空區(qū)幫1.5 m。

沿正巷與切眼軸向方向布置一排炮孔，炮孔距切眼采空區(qū)幫1.5 m，炮孔間距為0.6 m，共布置8個(gè)炮孔（正巷寬度4.5 m）。

炮孔直徑為42 mm，炮孔深度為7 m，炮孔垂直于頂板。初采期間從切眼端頭至工作面煤壁前30 m內(nèi)連續(xù)布置炮孔，之后隨工作面推進(jìn)依次布置炮孔，并加強(qiáng)支護(hù)。

②副巷炮孔布置

沿副巷軸向方向布置一排炮孔，炮孔間距為1.0 m，距外幫0.3～0.5 m（考慮頂板錨桿位置，可在此范圍內(nèi)調(diào)整）。炮孔編號(hào)分別用符號(hào)F1、F2、F3……表示，共34個(gè)，最靠近切眼外幫的炮孔距切眼采空區(qū)幫1.5 m。

沿副巷與切眼軸向方向布置一排炮孔，炮孔距切眼采空區(qū)幫1.5 m，炮孔間距為0.6 m，共布置6個(gè)炮孔（副巷寬度4.5 m）。

炮孔直徑為42 mm，炮孔深度為7 m，炮孔垂直于頂板。初采期間從切眼端頭至工作面煤壁前30 m內(nèi)連續(xù)布置炮孔，之后隨工作面推進(jìn)依次布置炮孔，并加強(qiáng)支護(hù)。

③其他補(bǔ)加炮孔說(shuō)明

為提高端頭預(yù)裂效果，在正、副巷內(nèi)距工作面煤壁前3～5 m范圍布置垂直于巷道軸向方向一排炮孔（正巷布置在放水孔前1 m左右，要避開(kāi)放水孔），正、副巷共補(bǔ)加9個(gè)孔，施工炮孔后，炮孔位置加強(qiáng)支護(hù)。其中：

副巷補(bǔ)加5個(gè)炮孔均勻布置，靠?jī)?nèi)幫炮孔距內(nèi)幫0.5 m，間距700 mm。

正巷補(bǔ)加4個(gè)炮孔均勻布置，靠?jī)?nèi)幫炮孔距內(nèi)幫0.3 m，間距800 mm。

炮孔具體布置見(jiàn)圖4。

圖4 深孔預(yù)裂爆破炮孔設(shè)計(jì)方案

（2）炮孔裝藥和封泥參數(shù)

每個(gè)炮孔計(jì)算裝藥長(zhǎng)度5 m，封泥長(zhǎng)度1.5～2 m，暫定2 m。藥卷規(guī)格為Φ35 mm×200 mm，200 g/卷。炮孔參數(shù)與裝藥量見(jiàn)表1。

表1 工作面端頭頂板弱化處理炮孔參數(shù)與計(jì)算裝藥量

（3）爆破時(shí)間和方式

放炮使用FD-200Z型起爆器，分組裝藥、分次爆破。一茬炮聯(lián)線采用“局部并聯(lián)，總體串聯(lián)”的方式進(jìn)行，每次起爆最多不能超過(guò)10個(gè)炮孔。

起爆順序從切眼的正巷向副巷方向依次裝藥爆破，之后在副巷從里至外依次裝藥爆破，最后在正巷從里至外依次裝藥爆破。

4 正副兩巷加強(qiáng)支護(hù)方案

超前工作面30 m加強(qiáng)正、副巷支護(hù)，正巷、副巷距工作面30 m范圍內(nèi)打設(shè)3排單體支柱，單體支柱間架設(shè)柱距1 m。

正巷中第一排距工作面煤幫800 mm，第二排距第一排800 mm，第三排距保險(xiǎn)幫800 mm，柱上架設(shè)π型梁。正巷受設(shè)備影響，根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)情況可以適當(dāng)調(diào)整單體間排距，但必須保證支護(hù)質(zhì)量和數(shù)量。

副巷中第一排距副幫800 mm，第二排距第一排800 mm，第三排距工作面煤幫800 mm，柱上架設(shè)π型梁。

工作面端頭支架與超前支護(hù)間距不應(yīng)大于0.5 m。具體超前支護(hù)情況見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 正巷超前加強(qiáng)支護(hù)

圖6 副巷超前加強(qiáng)支護(hù)

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)西曲煤礦18403工作面堅(jiān)硬頂板懸空較大容易引起劇烈來(lái)壓等問(wèn)題，確定了工作面正巷、副巷與切眼的具體支護(hù)方式，根據(jù)工作面具體條件，選用工作面開(kāi)切眼、端頭、兩巷超前支護(hù)段深孔預(yù)裂爆破的方法對(duì)頂板進(jìn)行弱化處理。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析確定了18403工作面共施工炮孔241個(gè)，炮孔深度為7 m ，炮孔均垂直于頂板。施工炮孔總長(zhǎng)1687 m。最后針對(duì)正、副巷道進(jìn)行超前30 m進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，正巷、副巷距工作面30 m范圍內(nèi)打設(shè)3排單體支柱，單體支柱間架設(shè)柱距1 m。