雁崖礦8305工作面切巷堅(jiān)硬頂板密集鉆孔聯(lián)合深孔爆破預(yù)裂技術(shù)

朱曉慶

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)大同有限公司 山西大同037003）

堅(jiān)硬頂板是指硬度高、厚度大、完整性好、裂隙不發(fā)育或發(fā)育程度較小的巖層[1]。煤礦開采中堅(jiān)硬頂板滯后垮落，導(dǎo)致采空區(qū)懸板面積大，加劇了工作面煤體的承載強(qiáng)度，大面積懸板的突然斷裂對(duì)工作面裝備甚至人員生命安全存在更大威脅[2]。因此，堅(jiān)硬頂板綜采面回采過(guò)程中十分重視頂板的治理工作。目前，常用的頂板預(yù)裂方法有水力壓裂、深孔爆破等[3-4]。水力壓裂借助靜態(tài)高壓水的壓裂和水楔劈裂作用，以及高壓動(dòng)力水源的持續(xù)供給，可以取得較長(zhǎng)的裂縫擴(kuò)展效果；鉆眼爆破利用炸藥爆炸瞬間的沖擊強(qiáng)動(dòng)載及后續(xù)的爆生氣體膨脹做功，實(shí)現(xiàn)孔壁圍巖的體積壓裂，空間造縫能力強(qiáng)，裂縫擴(kuò)展不受地應(yīng)力影響[5]。

雁崖煤礦8305工作面切巷內(nèi)提前穩(wěn)裝了液壓支架，支架后部致裂作業(yè)空間有限。采用水力壓裂方法，一則大型裝備深入不了支架尾部空間，長(zhǎng)距離高壓管線沿程損耗大，且存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)；二則切巷頂板致裂以取得平面裂縫效果最佳，單靠孔內(nèi)的靜態(tài)高壓水壓裂難以取得定向切縫效果，配以相應(yīng)的軸向切槽工藝，又增加了工序操作繁雜程度。為此，結(jié)合工作面煤層生產(chǎn)技術(shù)條件，充分發(fā)揮現(xiàn)有裝備優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了密集鉆孔聯(lián)合深孔爆破的切巷頂板預(yù)裂方案，實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)硬厚層頂板的平面定向預(yù)裂，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司雁崖煤礦8305工作面是2#煤層三盤區(qū)的首采面。東北鄰近盤區(qū)邊界，東南鄰近8306工作面，西南以三盤區(qū)大巷為界，西北至二盤區(qū)與四盤區(qū)共同盤區(qū)邊界。采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤工藝，直接垮落法管理采空區(qū)頂板。蓋山厚度在462 m～518 m，平均490 m，煤層平均厚度3.3 m，平均傾角2°，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可采走向長(zhǎng)度1 400 m，工作面傾向長(zhǎng)度300 m。煤層頂?shù)装逡陨百|(zhì)巖性賦存為主，巖性堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)相對(duì)完整。工作面頂?shù)装逯鶢顖D，如圖1所示。

8305工作面基本頂平均厚度6.3 m，為防止工作面回采過(guò)程中厚硬頂板滯后斷裂對(duì)采場(chǎng)礦壓造成較大的影響，工作面初始采動(dòng)前需要對(duì)切巷頂板進(jìn)行預(yù)裂處理。

2 密集鉆孔聯(lián)合深孔爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 密集鉆孔參數(shù)確定

（1）鉆孔直徑主要取決于當(dāng)前的打鉆裝備。設(shè)計(jì)初衷是為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有打鉆裝備的最大化利用，少增加頂板預(yù)裂成本。結(jié)合工作面架后作業(yè)空間有限條件，只能采取一般的錨桿鉆機(jī)進(jìn)行密集鉆孔，鉆孔直徑為42 mm。

（2）鉆孔深度取決于頂板預(yù)裂高度。根據(jù)采空區(qū)冒落矸石充填采空區(qū)原理，確定工作面切頂高度為煤層采厚/巖石碎脹系數(shù)，采空區(qū)矸石碎脹系數(shù)取值0.3，據(jù)此得到鉆孔深度為11 m。

（3）孔間距需根據(jù)鉆孔周邊應(yīng)力分布進(jìn)行確定。由彈性理論可知，圓孔周邊3～5倍半徑范圍為應(yīng)力強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)[6]?？讖?2 mm的鉆孔周邊應(yīng)力擾動(dòng)范圍在60 mm～100 mm，據(jù)此將相鄰密集鉆孔間距設(shè)置為200 mm。

（4）工作面切巷內(nèi)架后作業(yè)空間有限，鉆機(jī)允許擺動(dòng)角度小，實(shí)際作業(yè)過(guò)程中鉆機(jī)施工角度設(shè)置為90°，垂直頂板進(jìn)行鉆孔。

2.2 深孔爆破參數(shù)確定

深孔爆破參數(shù)主要包括：炮孔直徑，炮孔深度，炮孔角度，炮孔間距，單孔裝藥量。

（1）炮孔直徑：三級(jí)煤礦許用水膠炸藥卷直徑為35 mm，配合直徑48 mm的安裝管輔助裝藥，加上管外定位塊的富余空間，設(shè)計(jì)炮孔直徑為65 mm，此時(shí)不耦合裝藥系數(shù)為1.3。

（2）炮孔深度、角度：與密集鉆孔深度、角度設(shè)計(jì)原理類似，主要取決于頂板預(yù)裂的高度和鉆孔現(xiàn)場(chǎng)施工條件，將炮孔深度設(shè)置為11 m，炮孔角度為90°，垂直頂板鉆設(shè)。

（3）炮孔間距：根據(jù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)爆破經(jīng)驗(yàn)，炮孔間距一般為炮孔直徑的7～12倍。據(jù)此設(shè)計(jì)的炮孔間距不會(huì)超過(guò)1.0 m。但是，該結(jié)論是以相鄰炮孔裂縫貫穿為前提的。這里采取的深孔爆破是密集鉆孔的輔助工藝，以爆破震動(dòng)弱化為主?？紤]密集鉆孔的導(dǎo)向作用，以及盡量減少大孔徑鉆孔打鉆工程量，參考應(yīng)力波的擾動(dòng)范圍，綜合確定實(shí)驗(yàn)炮孔間距為6 m。

（4）單孔裝藥量：致裂目標(biāo)層為工作面基本頂巖層，平均厚度6.3 m。深孔爆破條件下，裝藥深度越大，鉆孔夾持作用越強(qiáng)，致裂效果越不顯著。鑒于含礫砂巖頂板相對(duì)完整，基本頂厚度范圍內(nèi)采用軸向耦合裝藥方式，裝藥長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為6 m。直徑35mm的三級(jí)煤礦許用水膠炸藥延米質(zhì)量為1 kg。因此，單孔裝藥量確定為6 kg。爆破參數(shù)，見表1。

表1 切巷深孔爆破參數(shù)

3 切巷頂板致裂效果

3.1 孔內(nèi)窺視觀察

采用鉆孔窺視儀對(duì)密集鉆孔的變形破壞及裂隙發(fā)育情況進(jìn)行觀察。切巷炮孔爆破后，密集鉆孔窺視方案及窺視結(jié)果，如圖2所示。

圖2 密集鉆孔窺視方案及結(jié)果

根據(jù)窺視得到的密集鉆孔變形破壞情況，在密集鉆孔的導(dǎo)向作用下，單個(gè)爆破孔的強(qiáng)動(dòng)載擾動(dòng)范圍在1.6 m～2.2 m，相鄰炮孔的擾動(dòng)范圍合計(jì)3.2 m～4.4 m，炮孔間距6 m。在后續(xù)頂板壓力作用下，受兩側(cè)炮孔的擾動(dòng)及密集鉆孔間的導(dǎo)向影響，剩余1.6 m～2.8 m的頂板鉆孔連線區(qū)間容易平面貫穿。

3.2 切巷頂板垮落狀態(tài)

切巷頂板的垮落狀態(tài)是堅(jiān)硬頂板預(yù)裂效果的最直觀反映。工作面自切巷位置推進(jìn)8 m～10 m時(shí)，已見采空區(qū)中部位置煤層頂板的順利垮落；當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m位置時(shí)，采空區(qū)頂板趨于完全垮落狀態(tài)，輔以相應(yīng)的巷道頂板爆破切頂，工作面端頭頂板也順利垮落，消除了堅(jiān)硬頂板工作面端頭懸板現(xiàn)象。采空區(qū)垮落矸石在架后充實(shí)采空區(qū)空間，解決了堅(jiān)硬頂板采空區(qū)大面積懸板及其誘發(fā)的采場(chǎng)劇烈礦壓顯現(xiàn)難題。工程實(shí)踐中采集的工作面架后頂板垮落前后狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 采空區(qū)頂板垮落前后情況

4 結(jié)論

（1）針對(duì)切眼內(nèi)頂板架后控制及沿空留巷的不同切頂卸壓條件及需求，確定密集鉆孔聯(lián)合深孔爆破預(yù)裂分區(qū)治理方法，弱化了厚硬巖層的完整度，減小了頂板懸跨尺寸。

（2）切巷炮孔爆破致裂影響范圍在1.6 m～2.2 m，配合密集鉆孔間的導(dǎo)向作用，6 m炮孔間距可以取得較好的頂板平面切縫效果；工作面推采后的采空區(qū)頂板垮落狀態(tài)良好。