23111工作面頂板預(yù)裂爆破技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

連曉陽

（山西焦煤西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

我國具有堅(jiān)硬頂板煤層條件的礦井占礦井總數(shù)的1/3左右，同時我國每年地下開采的厚煤層煤炭產(chǎn)量占煤炭總產(chǎn)量的45%以上。特厚煤層綜放工作面產(chǎn)量高，工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)也較為劇烈，當(dāng)工作面初采懸頂面積大時，大面積的頂板突然垮落造成的危害也更為嚴(yán)重，煤層采出后在后方形成較大面積的懸頂，一旦垮落易造成較大事故，破壞力極強(qiáng)［1-2］。解決堅(jiān)硬頂板垮落風(fēng)險的有效途徑重點(diǎn)在于解決超前和側(cè)向支承壓力傳遞和聚集［3-4］。

許多研究學(xué)者針對堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)進(jìn)行了研究。穆效治［5］針對沙坪壩煤礦18028工作面預(yù)裂爆破方案制定了合理的技術(shù)參數(shù)，取得了良好的切頂卸壓效果。李慧斌［6］針對超前深孔預(yù)裂技術(shù)的各項(xiàng)施工工藝進(jìn)行了深入研究。馬偉［7］分析了水力弱化及爆破弱化兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。斜溝礦23111工作面擬采用預(yù)裂爆破切頂技術(shù)進(jìn)行頂板卸壓，為此，依據(jù)23111工作面具體條件及工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了預(yù)裂爆破技術(shù)參數(shù)，并對預(yù)裂爆破效果進(jìn)行觀測、分析。

1 工程概況

斜溝礦23111工作面平面布置如圖1所示，煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。工作面采用放頂煤開采方法，采高3.6 m，放煤高10.75 m，采放比為1∶2.99，放煤步距為0.8 m，材料巷沿底板布置。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

圖1 23111工作面布置

斜溝礦13#煤層硬度大，抗壓強(qiáng)度平均達(dá)到25 MPa以上，最高達(dá)到36 MPa。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖及中粒砂巖頂板，堅(jiān)硬穩(wěn)定，采用綜放開采時，頂煤頂板難以垮落。隨著采區(qū)內(nèi)煤炭資源的不斷減少，孤島工作面不斷增加，煤巷掘進(jìn)工作面迎采空區(qū)掘進(jìn)的情況增多，受臨近采空區(qū)影響，采煤工作面順槽在采掘期間礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。例如：23101工作面回采期間，對近1 300 m材料巷頂板、兩幫進(jìn)行“錨索帶”加強(qiáng)支護(hù)，補(bǔ)強(qiáng)消耗材料（錨索和鋼帶）費(fèi)用達(dá)300萬元，且施工工作嚴(yán)重影響了工作面正常回采速度，工作面初采初放效果差、資源浪費(fèi)嚴(yán)重。但受采動影響，材料巷依然壓力大、變形嚴(yán)重，難以維護(hù)。 上述問題的關(guān)鍵在于頂煤頂板難以垮落造成，已經(jīng)嚴(yán)重影響礦井的高產(chǎn)高效，有必要采用預(yù)裂爆破技術(shù)切頂卸壓、沿空留巷。

2 深孔預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)

根據(jù)斜溝礦23111工作面具體地質(zhì)條件和相似工作面工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)預(yù)裂爆破技術(shù)參數(shù)。

1）切眼爆破孔布置

在開切眼內(nèi)布置1排炮眼，方向與頂板垂直，根據(jù)相似工作面工程經(jīng)驗(yàn)，炮孔間距取1.75 m，炮眼共115個。

2）工作面端頭爆破孔布置

在工作面端頭距離煤柱幫4 m處布置1排炮眼，方向與頂板垂直，根據(jù)相似工作面工程經(jīng)驗(yàn)，炮孔間距取0.8 m，炮眼共63個。

3）聚能藥管

由于施工作業(yè)點(diǎn)位于工作面切眼和端頭，在回采工作面和順槽實(shí)施爆破，需符合《煤礦安全規(guī)程》要求。采用軸對稱開縫式聚能藥管，聚能藥管外徑為?40 mm，壁厚不小于2 mm，每段1.5 m；采用三級煤礦乳化炸藥，藥卷?35 mm，每段長度200 mm。

4）炮眼深度

為保證切頂卸壓效果，炮眼需打穿老頂中粒砂巖，工作面放煤厚度為10.75 m，直接頂厚度為1.97 m，老頂厚度為4.91 m，為了實(shí)現(xiàn)交叉裝藥，相鄰兩孔深度不同，炮眼深度為17 m和17.5 m，鉆孔直徑42 mm，采用切頂鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

3 預(yù)裂爆破效果觀測與分析

截至2018年11月10日，23111工作面累計(jì)推進(jìn)2 200 m，開切眼內(nèi)預(yù)裂爆破切頂卸壓施工一次計(jì)247 m，工作面兩順槽預(yù)裂爆破切頂卸壓施工一次計(jì)2 200 m。

3.1 預(yù)裂效果鉆孔窺視

當(dāng)工作面端頭開展切頂作業(yè)后，在380號鉆孔與381號鉆孔間施工一個18.53 m窺視鉆孔，對工作面端頭深孔預(yù)裂效果進(jìn)行了窺視，分析窺視結(jié)果可知：

（1）孔深0～11 m、14～16 m范圍孔壁完整，無裂隙帶。

（2）孔深11～14 m范圍孔壁相對完整，裂隙較發(fā)育，爆破效果一般。

（3）孔深16～18 m范圍巖層被爆破后擠壓為松散體，孔壁裂隙發(fā)育，爆破效果最好。

（4）兩個爆破孔影響半徑均大于0.5 m，爆破孔間距為0.8 m時，兩孔之間爆破后裂隙會完全導(dǎo)通，孔深11～14 m、16～18 m時頂板巖層裂隙發(fā)育較好，爆破效果較好，切頂卸壓效果較好。

3.2 初采初放期間礦壓分析

23111工作面初采初放期間初次來壓步距、周期來壓步距、來壓期間支架最大載荷及動載系數(shù)如表2所示。

表2 23111礦壓顯現(xiàn)參數(shù)

23111工作面與鄰近未采取預(yù)裂爆破切頂?shù)?3107綜放工作面初采初放期間初次放煤步距、初次來壓步距、來壓期間最大載荷及動載系數(shù)對比如表3所示。

表3 23111與23107初采初放期間對比

由表2和表3可知，由于23111工作面采取預(yù)裂爆破方式對頂板進(jìn)行切頂卸壓，23111工作面初次來壓步距比23107工作面提前了11.1 m，動載系數(shù)降低0.34，最大載荷降低了6 MPa。相比較未進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂卸壓的23107工作面，切頂卸壓后，23111工作面來壓步距及放煤步距均有不同程度減少，卸壓效果較為顯著。

3.3 臨近工作面切頂卸壓效果觀測與分析

23111工作面皮帶巷采用預(yù)裂爆破切頂卸壓措施后，對臨近23109工作面材料巷掘進(jìn)期間的變形狀況進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 巷道斷面巷道位移折線

由圖2可知，23109材料巷兩幫最大移近量為35 mm，頂板最大下沉量為16 mm，底板最大底鼓量為14 mm。巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟慷驾^小，變形量主要集中在測站距離迎頭50 m范圍內(nèi)。經(jīng)過分析認(rèn)為，巷道開挖初期，圍巖應(yīng)力重新分布，在此期間，巷道變形量較大，變形速度也較快，此后隨著巷道的掘進(jìn)，受23111工作面切頂卸壓影響應(yīng)力重新分配，巷道變形量趨于穩(wěn)定。由此可見，23111工作面端頭預(yù)裂爆破切頂卸壓效果明顯。

在23109工作面材料巷940 m處設(shè)置一組測站，用來監(jiān)測支護(hù)錨桿、錨索載荷變化情況，通過提取測站數(shù)據(jù)繪制錨桿、錨索拉應(yīng)力變化如圖3所示。

圖3 錨桿應(yīng)力折線

斜溝礦巷道支護(hù)錨桿采用?22 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其屈服力為151.98 kN，桿體材料預(yù)緊力合理范圍值為45.59～75.98 kN。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可得，安裝錨桿存在個別預(yù)緊力施加不足的情況。施加預(yù)緊力后，錨索的軸向力分別為205.67 kN和148.09 kN，頂部錨桿軸向力分別為45.84 kN、49.59 kN、67.83 kN、46.40 kN、39.09 kN、54.10 kN、38.99 kN，幫部錨桿軸向力為39.73 kN、69.64 kN、37.99 kN和42.64 kN。分析可知，錨桿受力變化規(guī)律和巷道變形規(guī)律基本一致，變化主要集中在測站距離迎頭50 m范圍內(nèi)，切頂卸壓后的應(yīng)力重新分配，錨桿索受力也趨于穩(wěn)定。

圖4 錨索應(yīng)力折線

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 初采初放期間煤炭資源

采用預(yù)裂爆破切頂技術(shù)后，初次放煤步距提前26 m，則工作面初采初放多采出頂部煤炭約0.069 Mt，按照原煤300元/噸計(jì)算，初采初放頂煤增加收入2 070萬元。

4.2 工作面兩端頭煤炭資源

采用預(yù)裂爆破切頂技術(shù)后，機(jī)頭機(jī)尾增加地放煤量按照1個支架計(jì)算，每循環(huán)增加2個支架頂煤，根據(jù)工作面長度可以計(jì)算得到多回收煤0.087 89 Mt，增加收入2 636.7萬元。

4.3 臨近巷道維護(hù)費(fèi)用

沿空掘進(jìn)巷道是斜溝礦施工條件最為復(fù)雜困難的巷道類型，采取不同維護(hù)方式取得的效果完全不同，23109材料巷在23111工作面進(jìn)行切頂作業(yè)后，巷道保持了良好的穩(wěn)定性，不用維護(hù)即可滿足應(yīng)用，節(jié)約支護(hù)材料費(fèi)用達(dá)300萬元。

表4 工作面巷道不同維護(hù)方式效果對比

5 結(jié)論

1）根據(jù)工作面現(xiàn)場條件，確定了相關(guān)預(yù)裂爆破參數(shù)。采用深孔預(yù)裂爆破后，23111工作面初次來壓步距比23107工作面提前了11.1 m，動載系數(shù)降低0.34，最大載荷降低了6 MPa。相比較未進(jìn)行爆破預(yù)裂切頂?shù)墓ぷ髅?，切頂卸壓后工作面來壓步距及放煤步距均有不同程度減少，卸壓效果較為顯著。

2）深孔預(yù)裂后，通過監(jiān)測巷道變形及錨桿受力數(shù)據(jù)，臨近巷道壓力狀況得到明顯的改善，保持了巷道圍巖較好的穩(wěn)定性，巷道不用維護(hù)完全能夠滿足使用，大幅度降低了同類型巷道大面積維護(hù)的費(fèi)用，應(yīng)用效果良好。