預(yù)裂爆破鉆孔在堅(jiān)硬中厚砂巖頂板突出煤層條件下的應(yīng)用研究

姚建兵

（皖北煤電集團(tuán)任樓礦，安徽 濉溪 235000）

1 工作面概況

Ⅱ7224N 綜采工作面煤巖層呈近單斜構(gòu)造，走向近南北，傾向80°～95°，傾角平均15°。工作面72 煤層平均厚度2.1m，煤層賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。煤層受構(gòu)造影響，局部起伏、變薄現(xiàn)象明顯。老頂為淺灰色細(xì)砂巖，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊層狀構(gòu)造，成分以石英為主，鈣、硅質(zhì)膠結(jié)，平均厚度21m±，性硬，具水平層理。自然狀態(tài)下，單向抗壓強(qiáng)度為74.2MPa±。直接頂為淺灰～灰色粉砂巖、泥巖，泥巖含植物化石。粉砂巖，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，成分以石英為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，平均厚度2m±。自然狀態(tài)下，單向抗壓強(qiáng)度為67.7～48.9MPa，平均58.3MPa±。底板為灰色粉砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，性硬，單向抗壓強(qiáng)度57.3MPa±。

任樓礦為煤與瓦斯突出礦井，72 煤層為突出煤層，Ⅱ7224N 工作面屬煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域。72煤瓦斯含量7.23m3/t，壓力0.74MPa，工作面相對(duì)瓦斯涌出量8.91m3/t。工作面采用后退式傾向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤方法，自然垮落頂板。

2 高位鉆孔布置及瓦斯治理存在問(wèn)題

采用區(qū)域防突措施后，回采過(guò)程前期主要采用風(fēng)巷高位鉆孔及上隅角埋管抽放采空區(qū)瓦斯，風(fēng)巷高位鉆場(chǎng)間距60m 至70m 布置。在風(fēng)巷鉆場(chǎng)向工作面方向施工頂板走向高位鉆孔，呈扇形布置。每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)8 至10 個(gè)鉆孔，分高低兩排布置，每排布置4 個(gè)鉆孔，孔深100m±，孔徑不小于～108mm，終孔位于距煤層頂板8～12m 的裂隙帶中，終孔間距8m，鉆場(chǎng)之間鉆孔壓茬不小于30m。平面布置上靠近風(fēng)巷的4 個(gè)鉆孔全程下設(shè)套管。

高位鉆孔抽放過(guò)程中，未采取頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)措施的高位鉆場(chǎng)抽放濃度較低，煤壁容易片幫，采煤機(jī)行走至上隅角附近時(shí)切眼風(fēng)排瓦斯量減少，都容易造成上隅角瓦斯?jié)舛仍骄?，使得工作面停產(chǎn)；上隅角老塘附近頂板退錨后不能及時(shí)冒落，存在采空區(qū)頂板大面積突然垮落和局部積聚的瓦斯突然涌出的安全隱患。

3 預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)瓦斯治理作用

根據(jù)采空區(qū)上覆“三帶”理論，高濃度瓦斯主要集中在冒落帶頂部和裂隙帶中下部。但由于是堅(jiān)硬中厚砂巖頂板，頂板裂隙不發(fā)育，布置的高位鉆孔很難和上隅角采空區(qū)導(dǎo)通，因此需要弱化頂板，促使裂隙發(fā)育、采空區(qū)及時(shí)冒落。當(dāng)炸藥在預(yù)裂爆破鉆孔內(nèi)爆炸后，在爆炸應(yīng)力波、爆炸產(chǎn)生的氣體和煤巖層內(nèi)原有瓦斯壓力作用下，在巖石中形成爆炸空腔，產(chǎn)生裂隙并擴(kuò)張?jiān)严?，在一定范圍?nèi)形成較大的連通裂隙網(wǎng)。在連通裂隙網(wǎng)形成后，高位鉆孔抽放采空區(qū)及附近煤體瓦斯的通道進(jìn)一步打通、增強(qiáng)，高位鉆孔抽放范圍擴(kuò)大，瓦斯抽放率提高。

在預(yù)裂爆破及高位鉆孔抽放影響范圍內(nèi)的煤體內(nèi)部瓦斯經(jīng)“解吸→擴(kuò)散→滲流”過(guò)程，流體含量和流體壓力逐步下降，煤體堅(jiān)固性系數(shù)進(jìn)一步提高，煤體整體變硬，煤壁片幫、掉頂現(xiàn)象減少，導(dǎo)致煤與瓦斯突出的地應(yīng)力下降。

4 預(yù)裂爆破技術(shù)

（1）預(yù)裂爆破方案參數(shù)及要求

在高位鉆場(chǎng)之間每隔20m 均勻布置一組預(yù)裂爆破鉆孔，每組布置三個(gè)預(yù)裂爆破鉆孔A1、A2、A3，三個(gè)預(yù)裂爆破鉆孔在一條直線上。預(yù)裂爆破鉆孔孔徑均為Φ91mm，鉆孔方位與風(fēng)巷方位的夾角均為90°，鉆孔控制范圍為距煤層頂板上14m、距風(fēng)巷下幫31m。A1、A2、A3 孔傾角分別為50°、24°、12°，孔深分別為15m、22m、31m，封孔長(zhǎng)度分別為7m、9m、12m。每組采用同一段數(shù)雷管串聯(lián)同時(shí)起爆，先施工預(yù)裂爆破孔再施工相應(yīng)區(qū)域的高位抽放鉆孔。預(yù)裂爆破鉆孔施工順序：A1 孔打眼、裝藥、封孔→A2 孔打眼、裝藥、封孔→A3孔打眼、裝藥，封孔→本組孔連線爆破。Ⅱ7224N風(fēng)巷高位鉆孔及預(yù)裂爆破鉆孔布置圖如圖1 所示。

（2）材料及工具

材料準(zhǔn)備主要有干炮泥、Φ65mm×1000mm 炸藥、導(dǎo)爆索。工具準(zhǔn)備主要有 ZLJ4000 型鉆機(jī)1 臺(tái)、Φ108mm 鉆頭1 個(gè)、Φ63.5mm×1.0m 鉆桿100 根、炮泥封孔器1 臺(tái)、PVC 炮棍60m、Φ10mm×10m高壓鋼編管5 根。

圖1 Ⅱ7224N 風(fēng)巷高位鉆孔及預(yù)裂爆破鉆孔布置圖

（3）預(yù)裂爆破鉆孔參數(shù)

預(yù)裂爆破鉆孔參數(shù)及預(yù)裂爆破說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 預(yù)裂爆破鉆孔參數(shù)及預(yù)裂爆破說(shuō)明表

5 治理效果

（1）鉆場(chǎng)正常抽放期間，未采用頂板預(yù)裂爆破技術(shù)措施的鉆場(chǎng)總抽放純量普遍在2～4m3/min，單孔抽放濃度最高在15%以下，鉆場(chǎng)總管路抽放濃度3%～10%；采用頂板預(yù)裂爆破措施的鉆場(chǎng)總抽放純量普遍在6～8m3/min，單孔抽放濃度最高可達(dá)到80%～90%，鉆場(chǎng)總管路抽放濃度在15%～40%。瓦斯抽放濃度和抽放量明顯提高。

（2）未采取頂板預(yù)裂爆破措施上隅角瓦斯?jié)舛绕骄?.8%～0.9%左右，采用頂板預(yù)裂爆破措施后上隅角瓦斯?jié)舛绕骄?.45%左右。上隅角附近瓦斯?jié)舛让黠@下降，瓦斯治理壓力降低。

（3）上隅角老塘附近頂板可以及時(shí)冒落，消除了采空區(qū)頂板大面積突然垮落和瓦斯突然涌出的安全隱患。

（4）隨著煤體堅(jiān)固性系數(shù)提高，煤體整體變硬，綜采工作面煤壁片幫明顯減少，效檢煤樣鉆屑量及解吸指標(biāo)明顯下降，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性降低。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）目前工作面已經(jīng)順利回采完畢。頂板預(yù)裂爆破技術(shù)措施提高了瓦斯抽放率，增強(qiáng)了抽放效果，減少了抽放時(shí)間，降低了風(fēng)排瓦斯量，一定程度地消除了煤層瓦斯突出的危險(xiǎn)性，有利于防突和瓦斯綜合治理工作。

（2）頂板預(yù)裂爆破鉆孔及其爆破施工對(duì)頂板的破碎效果，對(duì)高位鉆孔的施工有一定影響，因此必須控制好爆破后高位鉆孔施工的時(shí)間點(diǎn)。