岳南煤業(yè)厚層堅(jiān)硬頂板深孔爆破放頂技術(shù)研究

劉瑞豐

（山西澤州天泰岳南煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

岳南煤業(yè)215102 綜采工作面布置在15#煤層一采區(qū)，煤層平均厚度3.8 m，煤層傾角約1°～7°，平均3°，在煤層中含有一層0.3 m 左右的泥巖夾矸。215102 工作面推進(jìn)長度550 m，切眼長度176 m，埋深約為172～152 m。工作面西部為南翼回風(fēng)大巷，與回風(fēng)大巷垂直布置；南部為215103 工作面；北部為215101 回采工作面；東部為實(shí)體煤巖。工作面巖層柱狀圖如圖1。

由圖1 可知，工作面無偽頂及直接頂，頂板為深灰色K2 灰?guī)r，厚度達(dá)8.35～10.55 m，平均9.5 m，且強(qiáng)度較高，為典型的堅(jiān)硬厚巖層，其在回采過程中不易垮落，易形成大面積懸頂，引起工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，影響安全生產(chǎn)。因此，需在工作面來壓前通過深孔預(yù)裂爆破[1-5]，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板的強(qiáng)制破斷。

圖1 15#煤巖層柱狀圖

2 頂板深孔爆破裂紋擴(kuò)展特征

2.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

CDEM 是一種將有限元及離散元方法融合在一起的數(shù)值模擬軟件，它可以有效地模擬出巖體的非連續(xù)破壞的整個過程，并且可同時計(jì)算動態(tài)及靜態(tài)載荷同時作用下的巖體破壞變形。因此，采用CDEM 模擬深孔爆破時堅(jiān)硬頂板內(nèi)裂紋的擴(kuò)展特征，為后續(xù)確定合理的炮孔間距提供依據(jù)。

基于215102 綜采工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，建立二維數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為：長×高=100 m×35 m，按表1 的數(shù)據(jù)對各巖層的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦參。對模型兩邊及底部進(jìn)行位移約束，模型頂部施加一定的均布載荷模擬上覆巖層壓力。模擬中在開切眼頂板向上傾斜45°布置炮孔，炮孔深度13.5 m，封孔長度設(shè)計(jì)為5.5 m，利用CDEM 的爆炸計(jì)算模塊模擬炮孔的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，對比分析預(yù)裂爆破前后堅(jiān)硬頂板的運(yùn)移破斷規(guī)律。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

開切眼形成后，對工作面頂板進(jìn)行爆破動態(tài)模擬，爆破后不同時刻頂板的裂隙擴(kuò)展特征如圖2。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果

由圖2 可知，炮孔爆炸后形成的沖擊波在巖體迅速傳播，炮孔周圍的巖體出現(xiàn)了明顯的位移，使得炮孔出現(xiàn)擴(kuò)腔，半徑大幅度增加。炮孔周圍巖體中出現(xiàn)的裂隙主要為水平裂隙，局部伴生縱向裂隙，且各裂隙間互相貫通，巖體破碎效果較好。

為確定合理的炮孔間距，在距炮孔起爆點(diǎn)一定距離內(nèi)布置監(jiān)測點(diǎn)，對起爆后炮孔周圍巖體的應(yīng)變情況進(jìn)行監(jiān)測分析，如圖3。

圖3 炮孔周圍巖體應(yīng)變時程曲線

由圖3 可知，炮孔起爆后，應(yīng)力波在巖體中的傳播隨著時間的增加而不斷衰減，經(jīng)過7 ms 后測點(diǎn)的應(yīng)變趨于穩(wěn)定。另外，距炮孔起爆點(diǎn)6 m 監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變基本沒有大幅度的變化，說明大于此范圍的圍巖受應(yīng)力波的影響較小，相鄰炮孔起爆后不會影響下一組炮孔的完整性，因此，初步確定炮孔間距為6 m。

模擬工作面的推進(jìn)過程中，通過循環(huán)開挖的方式，每次開挖5 m 并計(jì)算平衡后進(jìn)行下一步開挖。原生頂板巖層運(yùn)移破斷情況如圖4，深孔爆破后頂板巖層運(yùn)移破斷情況如圖5。

圖4 原生頂板巖層運(yùn)移破斷情況（m）

由圖4 可知，原生堅(jiān)硬頂板未采取爆破處理時，工作面推進(jìn)20 m 后，頂板在拉應(yīng)力的作用下僅產(chǎn)生微小的離層裂隙；工作面推進(jìn)30 m 后，頂板K2 灰?guī)r下部出現(xiàn)局部冒落，但其整體性仍然保持完好，在采空區(qū)形成大面積懸頂。由圖5 可知，在開切眼后方對堅(jiān)硬頂板實(shí)施深孔爆破處理后，在工作面推進(jìn)20 m 時，頂板巖體出現(xiàn)大量順層裂隙并明顯下沉；工作面推進(jìn)30 m 后，在應(yīng)力的作用下，采空區(qū)內(nèi)的K2 灰?guī)r垮落破斷。通過模擬結(jié)果可以看出，對堅(jiān)硬頂板進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破后，其內(nèi)部巖體產(chǎn)生大量貫通裂隙，完整性被破壞，并可以在采空區(qū)內(nèi)及時垮落破斷，減小工作面來壓步距及來壓強(qiáng)度。

圖5 深孔爆破后頂板巖層運(yùn)移破斷情況（m）

3 深孔爆破炮孔參數(shù)

（1）炮孔角度

炮孔仰斜的角度直接影響乳化炸藥的裝藥難易程度和爆破效果。綜合考慮現(xiàn)場實(shí)際條件及施工成本等，確定炮孔仰斜角度為45°。

（2）炮孔深度

炮孔深度對頂板預(yù)裂爆破效果也有十分重要的影響，一般通過工作面需要強(qiáng)制放頂?shù)膸r層層位高度及巖性來進(jìn)行確定。為保證215102 工作面放頂后能夠達(dá)到減壓效果，爆破后冒落的巖層應(yīng)能夠有效地充實(shí)采空區(qū)，則215102 工作面需要進(jìn)行放頂?shù)膸r層高度H可由下式計(jì)算：

式中：h為工作面采高，取3.8 m；K為冒落巖層的碎脹系數(shù)，根據(jù)K2 灰?guī)r的巖性，取1.4。通過計(jì)算得出215102 工作面放頂高度H=9.5 m。炮孔角度為45°，則炮孔深度為L=H/sin45°=13.5 m。

（3）炮孔間距

炮孔間距主要與每個孔起爆后形成的裂隙區(qū)范圍有關(guān)。炮孔間距過大會導(dǎo)致裂隙不能形成貫通，達(dá)不到放頂目的；炮孔間距過小則會導(dǎo)致相鄰炮孔破壞或引起炮孔沖擊的危險(xiǎn)。為保證爆破的連續(xù)性及安全性，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場實(shí)際條件，確定215102 工作面深孔爆破的炮孔間距為6 m，本次爆破采用的炸藥為礦用2 級乳化炸藥。炮孔布置方式如圖6。

圖6 深孔爆破炮孔布置方式（mm）

4 應(yīng)用效果

215102 工作面安裝支架完成后向前推進(jìn)3～4刀，并對支架后方進(jìn)行控頂支護(hù)，在控頂安全范圍內(nèi)進(jìn)行頂板的深孔爆破試驗(yàn)，按照設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)施工鉆孔并裝藥后，炮孔沿工作面傾向，從運(yùn)輸巷端頭向回風(fēng)巷端頭依次起爆。爆破完成后工作面頂板出現(xiàn)了明顯的縱深裂隙，待工作面繼續(xù)推進(jìn)一定距離后，通過現(xiàn)場觀察得出，采空區(qū)頂板能夠及時垮落并有效充填采空區(qū)，未出現(xiàn)大面積懸頂?shù)默F(xiàn)象。

為分析215102 工作面堅(jiān)硬頂板爆破的卸壓效果，在工作面上部、中部及下部共計(jì)布置8個監(jiān)測站，對爆破后工作面的支架阻力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并統(tǒng)計(jì)分析頂板的初次來壓情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 215102 工作面初次來壓情況

由表2 可知，對215102 工作面堅(jiān)硬頂板實(shí)施深孔爆破后，工作面的平均來壓步距為32.9 m，平均動載系數(shù)為1.27。該礦類似工程條件下的工作面，未采取放頂處理時的初次來壓平均為58.6 m，采取深孔爆破放頂處理后，初次來壓步距減小了25.7 m，可見提出的深孔爆破技術(shù)取得了顯著的卸壓效果。

5 結(jié)論

為解決215102 工作面堅(jiān)硬頂板垮落不及時造成懸頂面積大的問題，提出了深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)。通過數(shù)值模擬對堅(jiān)硬頂板爆破后的裂紋擴(kuò)展特征進(jìn)行了分析，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件確定出合理的炮孔間距為6 m，并對炮孔角度及炮孔深度等參數(shù)進(jìn)行了確定。在215102 工作面推進(jìn)3～4 刀后，在開切眼支架后方進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明：工作面的平均來壓步距為32.9 m，平均動載系數(shù)為1.27，相比于該礦類似工程條件下工作面的初次來壓步距減小了25.7 m，卸壓效果顯著，且采空區(qū)未出現(xiàn)大面積懸頂?shù)默F(xiàn)象。