堅(jiān)硬頂板深孔爆破初次強(qiáng)制放頂技術(shù)研究

王成飛

（山西潞安集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)公司，山西 忻州 036000）

1 工程概況

潞寧孟家窯煤業(yè)為資源整合型礦井，設(shè)定生產(chǎn)能力1.2 Mt/a。11505 工作面位于礦井11 采區(qū)，主采5 號(hào)煤層。工作面地面標(biāo)高+1732～ +1802 m，煤層底板標(biāo)高為+1440～ +1600 m。西北部為11507 工作面，西部為馬連溝礦井采空區(qū)，東部為5#煤回風(fēng)上山，南部為設(shè)計(jì)的11503 工作面。工作面煤層結(jié)構(gòu)簡單，平均傾角24°，開采煤厚平均11.5 m。工作面頂?shù)装鍘r層性質(zhì)見表1。

11505 工作面采用綜采放頂煤工藝，工作面長度155 m，割煤厚度3.5 m，放煤高度8.0 m，采放比為1:2.29，采用一刀一放工藝，截割深度0.8 m，放煤步距0.8 m。11505 工作面上方基本頂主要為質(zhì)地堅(jiān)硬的細(xì)粒砂巖，而煤體普氏系數(shù)僅為0.8，屬于松軟煤層。放頂煤過程中，由于開采空間較大，直接頂垮落后不能完全充填采空區(qū)，而基本頂巖層又較為堅(jiān)硬不易垮落，因此需要在初采期間對(duì)頂板進(jìn)行人為強(qiáng)制放頂，減緩11505 工作面頂板應(yīng)力集中程度，便于放頂煤工作的安全進(jìn)行。

表1 11505 工作面頂?shù)装鍘r性特征

2 深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)

2.1 深孔預(yù)裂爆破力學(xué)分析

深孔預(yù)裂爆破是采用長鉆孔裝填炸藥，利用炸藥釋放的爆破能量波和爆生氣體對(duì)鉆孔圍巖進(jìn)行破裂的方式。爆破能量波的作用過程是動(dòng)態(tài)的，沖擊載荷在鉆孔周圍形成壓應(yīng)力場(chǎng)，迫使周圍巖體產(chǎn)生向外擴(kuò)展導(dǎo)致裂隙產(chǎn)生；爆生氣體的作用是相對(duì)靜態(tài)的，未隨能量波傳遞出去的部分高壓氣體充盈在已產(chǎn)生的微裂隙中，擠壓裂隙末端使其擴(kuò)展貫通，進(jìn)一步加大了破壞范圍。對(duì)深孔爆破周圍煤巖體的破壞形式進(jìn)行分區(qū)劃分，如圖1，由外到內(nèi)分別是破碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性區(qū)。炸藥爆炸后，破碎區(qū)半徑一般較小，僅為鉆孔半徑的5 倍左右。該區(qū)域煤巖體破碎程度大，基本喪失了一體性承載能力，實(shí)際影響范圍可由式（1）計(jì)算。破碎區(qū)之外為裂隙區(qū)，裂隙區(qū)為能量波與爆生氣體共同作用的范圍，可按照式（2）計(jì)算。而裂隙區(qū)之外的彈性區(qū)域，已不存在破壞狀態(tài)，僅受能量波傳遞的影響，在布置鉆孔時(shí)也可不考慮。

式中：Rc為破碎區(qū)半徑，m；ρ0為炸藥的密度，kg/m3；D 為巖石中炸藥爆速，m/s；σcd為巖石單軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa；α 為載荷傳播衰減指數(shù)；K 為不耦合裝藥徑向不耦合系數(shù)；rb為炮孔半徑，mm；le為裝藥軸向系數(shù)；n 為爆轟產(chǎn)物膨脹碰撞孔壁時(shí)的壓力增大系數(shù)；σtd為巖石單軸動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa；σR為破碎區(qū)與裂隙區(qū)分界面上的徑向應(yīng)力，MPa；β 為應(yīng)力波衰減指數(shù)。

圖1 深孔預(yù)裂爆破圍巖分區(qū)

2.2 強(qiáng)制放頂力學(xué)分析

通常而言，工作面頂板破斷過程中，由于采空區(qū)空間相當(dāng)于四周支撐的薄板，推進(jìn)過程中的頂板呈現(xiàn)“O-X”破斷，在工作面前方和切眼后方形成了旋轉(zhuǎn)下沉塊體，給支架和煤壁帶來影響。采用強(qiáng)制放頂技術(shù)后，人為地將旋轉(zhuǎn)下沉塊體與前方煤體提前進(jìn)行切割，無論是在切眼后方切頂還是在支架前方切頂，頂板的破斷形式就轉(zhuǎn)變?yōu)榱恕癉”型，在切眼側(cè)實(shí)現(xiàn)上覆頂板整體斷裂下落，避免因?yàn)閳?jiān)硬頂板長時(shí)間不垮落而導(dǎo)致的突然來壓現(xiàn)象。強(qiáng)制放頂頂板破斷對(duì)比如圖2。

圖2 強(qiáng)制放頂頂板破斷對(duì)比

3 工程實(shí)踐應(yīng)用

3.1 深孔爆破參數(shù)確定

（1）頂板處理高度。按照采高3.5 m、放煤為8.0 m 計(jì)算，巖石碎脹系數(shù)取1.5。要保證頂板垮落的高度能夠全部充滿煤厚和頂板垮落區(qū)域，經(jīng)計(jì)算得到需要處理的煤層上方頂板高度為23.5 m，考慮偽頂連接的部分頂板可自行垮落，則設(shè)計(jì)炮孔垂直高度為20 m。

（2）爆破參數(shù)。使用炸藥直徑為75 mm，炮孔直徑設(shè)計(jì)為80 mm，采用不耦合裝藥方式，系數(shù)為1.06。炮孔間排距由破碎區(qū)和裂隙區(qū)的范圍決定，考慮采動(dòng)壓力和炸藥參數(shù)，計(jì)算后得到的孔底間距為5261 mm。在實(shí)際應(yīng)用中，炮孔采用雙排倒“八”字型布置，A、B 組孔口間距10 m，孔間隔8.6 m，排距定為1 m。炮孔深度按照處理頂板高度定為23 m，封孔長度為5 m，裝藥總長度為18 m，一次起爆藥量按照安全系數(shù)計(jì)算為655 kg，在工作面推進(jìn)3.2 m 左右時(shí)進(jìn)行爆破。

3.2 11505 綜放面初次放頂爆破方案

（1）炮孔布置。在切眼內(nèi)布置A、B 兩排炮孔，A 組平行于切眼軸線，B 組斜向前方，兩組炮孔在孔口處呈“三花眼”形，孔底呈現(xiàn)倒“八”字形，如圖3、圖4。A 組炮孔沿切眼頂板直線形布置，每隔10 m 布置一個(gè)炮孔，共布置14 個(gè)炮孔，編號(hào)分別為A1～A14，孔距切眼后幫煤壁＜0.5 m，炮孔按60°仰角施工。B 組炮孔在支架掩護(hù)梁上方的頂板處開孔，孔口呈直線形布置，每隔10 m 布置一個(gè)炮孔，共布置14 個(gè)炮孔，編號(hào)分別為B1～B14，孔距支架上方切頂線＞0.5 m，炮孔仰角按60°施工，且向前方傾斜45°水平角。

（2）爆破工藝。采用ZDY-400 鉆機(jī)三翼金剛鉆頭打孔，炸藥型號(hào)為煤礦許用3 號(hào)乳化炸藥，雷管為煤礦許用毫秒電雷管，采用兩導(dǎo)爆索起爆，封孔材料采用較潮濕的黃土，聯(lián)線采用“局部并聯(lián)，總體串聯(lián)”的方式進(jìn)行，放炮使用MFB-100 型起爆器，爆破母線長度大于300 m，放炮安全距離不小于300 m。爆破前，必須用水沖洗放炮地點(diǎn)30 m范圍內(nèi)的煤塵。

圖3 炮孔孔口布置平面圖

圖4 A、B 兩組炮孔剖面圖

3.3 深孔爆破初次放頂效果分析

11505 綜放面在推進(jìn)3.2 m 進(jìn)行頂板深孔預(yù)裂爆破后，即刻將支架后方采空區(qū)與采場(chǎng)人員設(shè)備隔離，并對(duì)支架受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，觀察頂板垮落情況。綜放面繼續(xù)推進(jìn)1.6 m，監(jiān)測(cè)的支架阻力由4820 kN增加到6140 kN，增幅達(dá)27.4%，同時(shí)在頂板炮孔位置處出現(xiàn)大量的裂隙發(fā)育，煤巖體有不同程度的脫落。繼續(xù)推進(jìn)2.4 m，直接頂巖層出現(xiàn)完全垮落，之后繼續(xù)推進(jìn)15 m 左右時(shí)，基本頂完全垮落，采空區(qū)域全部被松散煤巖體充滿。根據(jù)周圍工作面未預(yù)裂時(shí)候的初次來壓步距對(duì)比，11505 工作面初次來壓步距減小13 m 左右，降幅達(dá)46.4%。同時(shí)根據(jù)觀察，采場(chǎng)支架并未出現(xiàn)損害，前方煤壁完整性控制較好，沒有發(fā)生沖擊、壓架或人員設(shè)備損傷事故。實(shí)踐證明11505 工作面堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破初次放頂?shù)男Ч瞎ぷ髅嫔a(chǎn)實(shí)際。

4 結(jié)論

深孔預(yù)裂爆破作用主要是由爆炸產(chǎn)生的能量波和爆生氣體共同作用導(dǎo)致煤巖體發(fā)生破碎和裂隙發(fā)育，堅(jiān)硬頂板強(qiáng)制放頂后會(huì)產(chǎn)生與常規(guī)頂板垮落不同的破斷特征，預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂是解決11505 放頂煤工作面堅(jiān)硬頂板技術(shù)問題的有效途徑。在采用該技術(shù)后，11505 綜放面初次來壓步距減小到15 m左右，工作面推進(jìn)過程中未出現(xiàn)壓架、沖擊災(zāi)害或人員設(shè)備損傷等災(zāi)害，深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂?shù)男Ч@著，滿足了11505 綜放面的安全高效開采。