韓家洼煤業(yè)22205工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂技術(shù)研究

郭星江

(山煤國(guó)際能源集團(tuán)股份有限公司 煤業(yè)分公司，山西 太原 030000)

在煤礦開采中，堅(jiān)硬難垮頂板巖石強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大，煤層開采后大面積懸露在采空區(qū)，一旦垮落，會(huì)造成嚴(yán)重的工作面來壓現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工作面的生產(chǎn)安全[1-3]。因此，針對(duì)工作面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行切頂卸壓，減小工作面來壓強(qiáng)度，對(duì)保證工作面安全生產(chǎn)具有重要的意義。

許多研究學(xué)者已對(duì)堅(jiān)硬頂板礦壓控制進(jìn)行了研究，其中采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)弱化頂板是一種效果明顯的方法，大量的工程實(shí)踐表明，堅(jiān)硬頂板的深孔預(yù)裂爆破效果與爆破孔的布置方案與參數(shù)(如爆破孔深度、爆破孔直徑、爆破孔位置等)密切相關(guān)。但是，目前有關(guān)爆破孔布置方案與參數(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板預(yù)裂弱化效果影響的相關(guān)研究尚不夠深入。

韓家洼煤礦22煤層工作面采用綜放開采且頂板巖層為堅(jiān)硬難垮巖層，若不對(duì)頂板巖層進(jìn)行處理，則會(huì)嚴(yán)重影響礦井安全高效開采。因此，提出采用深孔預(yù)裂及數(shù)對(duì)頂板進(jìn)行處理，針對(duì)深孔預(yù)裂爆破參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

1 工程概況

韓家洼煤礦22205工作面位于二采區(qū)，東部22203工作面采空區(qū)，西部為原韓家洼采空區(qū)，南部為二采區(qū)三條主要巷道，北部為礦界。工作面傾向長(zhǎng)150 m，工作面走向長(zhǎng)878.4 m.工作面所采煤層為22號(hào)煤，賦存穩(wěn)定，煤層厚度為10.3～12.7 m，平均厚11.5 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層傾角為2～8°.頂?shù)装鍘r層分布為：老頂為厚度為4.2～26.9 m的白色粗砂巖，直接頂為灰白色細(xì)砂巖，平均厚度為3 m，偽頂為灰黑色泥巖，平均厚度為1.1 m，直接底為灰白色砂質(zhì)泥巖，平均厚度為1 m，老底為灰黑色細(xì)砂巖，平均厚度為8.7 m，頂?shù)装鍘r層柱狀圖如圖1所示。

圖1 頂?shù)装迕簩又鶢顖D

根據(jù)相鄰工作面開采垮落經(jīng)驗(yàn)，可以預(yù)測(cè)22205工作面煤炭資源采出后，頂板初次垮落步距大于70 m，極易形成采空區(qū)大面積懸頂，頂板初次來壓時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的沖擊波，對(duì)工作面及相關(guān)支護(hù)設(shè)備造成嚴(yán)重破壞，因此為保證22205工作面的安全高效開采，采用深孔預(yù)裂技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行卸壓處理，減小頂板劇烈來壓。

2 預(yù)裂爆破參數(shù)對(duì)厚煤層堅(jiān)硬頂板來壓步距的影響規(guī)律

2.1 模型建立

為科學(xué)確定深孔預(yù)裂爆破方案與參數(shù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬22205工作面深孔預(yù)裂各項(xiàng)參數(shù)對(duì)工作面垮落規(guī)律的影響，建立模型尺寸為300 m×150 m×60 m，模型上部補(bǔ)償載荷為5 MPa.

韓家洼煤礦22205工作面深孔預(yù)裂爆破孔布置于工作面兩側(cè)巷道中及工作面切眼中部，如圖2所示。為研究爆破孔距及爆破孔深度對(duì)堅(jiān)硬頂板預(yù)裂弱化效果，建立了如表1所示5種數(shù)值模擬方案，研究不同參數(shù)下對(duì)頂板巖層垮落規(guī)律的影響。

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

表1 數(shù)值模擬方案

2.2 爆破孔距開切眼距離的影響

不同爆破孔距影響下，隨工作面推進(jìn)距離的變化頂板爆破孔圍巖主應(yīng)力差變化規(guī)律如圖3所示，可以得到如下結(jié)論：工作面推進(jìn)距離相同時(shí)，實(shí)施深孔爆破后的主應(yīng)力差明顯大于未實(shí)施爆破的主應(yīng)力差，這是由于爆破預(yù)裂后，受沖擊影響爆破孔周圍產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致爆破預(yù)裂后的頂板更容易發(fā)生斷裂。還可以發(fā)現(xiàn)爆破孔主應(yīng)力差隨著爆破孔距的增加而逐漸減小，是因?yàn)楸祁A(yù)裂效果隨著爆破孔距的增大而不斷減弱。

圖3 不同爆破孔距影響下頂板主應(yīng)力差變化規(guī)律

2.3 不同爆破孔深度的影響

不同爆破孔深度影響下，隨工作面推進(jìn)距離的變化頂板破壞最大高度變化規(guī)律如圖4所示，可以得到如下結(jié)論：同一爆破孔深度時(shí)，頂板破壞最大高度隨著工作面推進(jìn)距離增大而增大，且爆破孔深度越大，頂板破壞最大深度破壞越快且破壞高度越高，是因?yàn)殡S著爆破孔深度的增大，爆破對(duì)頂板弱化效果增大，減小了頂板來壓步距。

圖4 不同爆破孔深度影響下頂板破壞高度變化規(guī)律

2.4 堅(jiān)硬頂板最佳預(yù)裂爆破參數(shù)的確定

根據(jù)以上數(shù)值模擬結(jié)果可以得到，在工作面切眼處及巷道進(jìn)行預(yù)裂爆破時(shí)可以有效地弱化頂板，減小來壓步距。以上5個(gè)預(yù)裂爆破方案下頂板來壓步距如表2所示，綜合分析可以得到，方案1和方案2頂板初次來壓步距較小，40～50 m是最優(yōu)方案。

表2 不同預(yù)裂爆破方案下頂板初次來壓步距范圍

3 222205綜放工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破方案

3.1 深孔預(yù)裂爆破方案設(shè)計(jì)

根據(jù)堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破參數(shù)的FLAC3D數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果，確定了22205綜放工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破參數(shù)，如圖5和表3所示。回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷布置爆破孔各5個(gè)，編號(hào)1～5和編號(hào)10～14，參數(shù)相同，呈扇形布置，工作面切眼中部布置1組共4個(gè)爆破孔，6～7號(hào)與8～9號(hào)爆破孔呈對(duì)稱布置，參數(shù)相同，爆破參數(shù)如表3所示。

圖5 爆破孔布置平面圖

表3 深孔預(yù)裂爆破參數(shù)

3.2 堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破效果分析

根據(jù)上述22205綜放工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)方案以及施工安全技術(shù)措施與要求：根據(jù)韓家洼煤礦22205工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)方案，當(dāng)22205綜放工作面于運(yùn)輸巷累計(jì)推進(jìn)4 m，回風(fēng)巷累計(jì)推進(jìn)7 m時(shí)，對(duì)22205綜放工作面兩巷道進(jìn)行預(yù)裂爆破，在裝藥之前首先采用PVC管對(duì)預(yù)裂孔進(jìn)行試孔，采用內(nèi)徑為45 mm的PVC管作為炸藥載體，將炸藥及導(dǎo)爆索裝入管內(nèi)，達(dá)到長(zhǎng)度要求后，將PVC管推入爆破孔底，炮眼采用連續(xù)耦合方式裝藥，采用雙雷管雙導(dǎo)爆索。PVC推到孔底后，用炮棍把準(zhǔn)備好的炮泥裝入炮孔，炮泥充填密實(shí)，進(jìn)行爆破。

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，當(dāng)22205工作面回風(fēng)巷推進(jìn)13.5 m，運(yùn)輸巷推進(jìn)9.7 m時(shí)，工作面頂煤已經(jīng)垮落，機(jī)尾95號(hào)架附近已經(jīng)垮落到頂板白砂巖，從22號(hào)支架到82號(hào)支架后溜多處可見白砂巖，綜合判斷，頂煤已經(jīng)全部垮落。當(dāng)運(yùn)輸巷推進(jìn)46 m，回風(fēng)巷推進(jìn)64 m，平均推進(jìn)55 m左右時(shí)，工作面發(fā)生大面積來壓現(xiàn)象，其中50號(hào)～101號(hào)支架壓力較大，綜合判斷，工作面初次來壓步距為55 m，22205綜放工作面老頂初次來壓與22203綜放工作面相比，早來了15 m左右，這與22205綜放工作面采用的深孔預(yù)裂爆破方案有直接關(guān)系。

4 結(jié) 語

1) 采用數(shù)值模擬得到預(yù)裂爆破后堅(jiān)硬頂板相比未爆破的頂板更容易發(fā)生破斷，頂板弱化效果隨著爆破孔距增大而減小，頂板弱化效果隨著爆破孔深度增大而增大，爆破孔深度越大，頂板破壞速率越快，破壞高度越高。

2) 結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，確定了深孔預(yù)裂爆破技術(shù)方案各項(xiàng)參數(shù)，通過井下試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，實(shí)施預(yù)裂爆破技術(shù)后，工作面來壓步距減小為55 m，堅(jiān)硬頂板強(qiáng)礦壓現(xiàn)象得到了有效的控制，為韓家洼煤礦后續(xù)相似條件下綜放工作面的安全高效開采提供了理論與技術(shù)支撐。