建新煤業(yè)厚硬頂板深孔預(yù)裂爆破控制技術(shù)研究與應(yīng)用

王立偉

（長治市上黨區(qū)應(yīng)急管理局，山西 長治 047100）

1 工程概況

長治建新煤業(yè)有限公司礦井開采3#～15#煤層，15#煤層厚4.02～6.55 m，平均4.87 m。15101 工作面位置如圖1。工作面頂板為致密塊灰?guī)r（K2），厚度8.28 m，有時存在厚度不大的泥巖偽頂，隨開采而塌落。K2 灰?guī)r的抗壓強度為84.4～110.8 MPa，抗拉強度為2.6～3.8 MPa，凝聚力系數(shù)15.0～15.6，屬堅硬巖石，穩(wěn)固性好。由于灰?guī)r頂板堅硬，回采后大面積懸頂不垮落，給生產(chǎn)帶來安全隱患。為了確保工作面回采后頂板及時垮落，降低工作面大面積來壓的風(fēng)險，結(jié)合周邊鄰近煤礦15#煤層開采經(jīng)驗，擬對15#煤層頂板進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破。

圖1 15101 工作面布置平面圖

2 15101 工作面頂板運動步距分析

采煤工作面回采期間，后方采空區(qū)頂板運動形式主要有直接頂初次垮落、基本頂初次垮落、周期垮落，頂板巖層的每次運動會引起工作面礦壓顯現(xiàn)，15101 工作面無直接頂，基本頂為灰?guī)r，因此僅需分析基本頂初次垮落步距和周期垮落步距。

2.1 基本頂初次垮落步距

基本頂初次垮落步距有兩種計算方法：一種是根據(jù)固支板理論計算[1]，一種是根據(jù)梁的理論計算[2]。對于工作面長度大，且?guī)r石堅硬完整的頂板，比較適合用板的理論計算垮落步距。根據(jù)彈性理論可確定沿工作面推進(jìn)方向“板”的極限步距：

式中：C為基本頂初次垮落步距，m；b為采煤工作面長度，m；σt為基本頂抗拉強度，N/m2；k為老頂龜裂系數(shù)，k=0.25～1.0；m 為基本頂厚度，m；γ為基本頂容重，N/m3；α為煤層傾角，（°）。15101 工作面各參數(shù)見表1。通過上式計算得到基本頂初次垮落步距C0=40.4～52.2 m。

表1 頂板運動步距計算參數(shù)

2.2 基本頂周期來壓步距

初次來壓后，基本頂?shù)闹芷诳迓渫ǔ０磻冶哿盒问娇迓洌?/p>

式中：q為基本頂巖層受到的均布垂直應(yīng)力，僅考慮基本頂巖層的自重，當(dāng)基本頂厚度為7.1 m 時，q=0.178 MPa，基本頂厚度為10.6 m 時，q=0.266 MPa。據(jù)此，預(yù)計15101 工作面的周期來壓步距C=18.9～23.1 m。綜上可知，正常開采條件下，15101 工作面基本頂初次垮落步距為40.4～52.2 m，周期垮落步距為18.9～23.1 m。

3 頂板爆破方案設(shè)計

由于石灰?guī)r頂板鉆孔比較困難，鉆孔花費的時間比較多，為了避免在綜采面生產(chǎn)過程中停產(chǎn)進(jìn)行鉆孔爆破，因此選擇在切眼預(yù)先爆破切斷灰?guī)r頂板，從而縮短工作面初垮步距，降低初次來壓強度。初壓后工作面進(jìn)入周期來壓階段，由于灰?guī)r頂板強度高，液壓支架回撤后采場后方將有較大的懸頂距，尤其是上下隅角處懸頂距將更大，造成工作面礦壓顯現(xiàn)強烈，有一定的安全隱患，也需要進(jìn)行強制放頂，但生產(chǎn)過程中進(jìn)行強制放頂對生產(chǎn)有較大影響。根據(jù)周邊鄰近礦的經(jīng)驗[3-4]，選擇在兩巷順槽進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破，最大程度降低工作面尤其上下隅角的懸頂面積。

3.1 工作面切眼深孔爆破

15101 工作面頂板深孔爆破預(yù)裂的目標(biāo)層位為灰?guī)r基本頂，深孔爆破只要切斷了灰?guī)r，其上方軟弱巖層會隨之垮落，并充填滿采空區(qū)。因此，確定炮孔垂直高度為7.1～10.6 m，切眼附近頂板灰?guī)r厚度為8.0 m 左右，據(jù)此設(shè)計爆破鉆孔垂直深度為8 m。15101 工作面灰?guī)r厚度為7.1～10.6 m，按平均值8.28 m，即最小抵抗線距離為8 m，初步設(shè)計切眼鉆孔間距按8 m 確定?？紤]到施工的方便性、鉆孔的工作量以及爆破效果，確定炮眼的角度取30°，順切眼方向傾斜。15101 工作面頂板堅硬，采用2 號煤礦乳化炸藥、藥卷直徑60 mm、藥卷長500 mm、每卷藥重1.62 kg、線裝藥密度為3.24 kg / m。爆破孔的封孔長度是非常關(guān)鍵的參數(shù)，設(shè)計炮孔封孔長度應(yīng)為孔深的25%～40%，即封孔系數(shù)為0.25～0.4。結(jié)合裝藥系數(shù)，封孔系數(shù)取0.3，即封孔長度取為4 m。根據(jù)鄰近礦的經(jīng)驗，工作面兩端不易垮落，對采場有較大影響，所以預(yù)裂爆破的重點是工作面兩端部分，具體數(shù)據(jù)可結(jié)合現(xiàn)場打眼難度等指標(biāo)確定。綜上所述，設(shè)計15101 工作面切眼內(nèi)爆破鉆孔布置詳情如圖2 及表2。

表2 切眼頂板爆破鉆孔參數(shù)表

圖2 15101 工作面切眼深孔爆破鉆孔布置（m）

3.2 工作面順槽深孔爆破

根據(jù)鄰礦經(jīng)驗，周期來壓期間，工作面中部能正?？迓洌瑢Σ蓤鲇绊戄^小，但兩端垮落較差，如不采取預(yù)爆，對采場有較大影響，存在一定的安全風(fēng)險，因此，需要對兩端頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破處理。為了避免打眼造成工作面停采，選擇在兩巷順槽中進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破。為了達(dá)到更好的效果，需要確定合理的循環(huán)爆破步距和鉆孔的布置。根據(jù)前面的預(yù)測計算，在基本頂厚度7.1～10.6 m 的情況下，15101 工作面基本頂周期來壓步距為18.9～23.1 m，因此，確定順槽爆破步距為20 m。在15101 工作面兩側(cè)順槽內(nèi)每間隔20 m 對稱布置鉆場，鉆場布置在工作面實體煤幫內(nèi)，深4.0 m、寬3.5 m。鉆孔布置詳情如圖3，順槽鉆場內(nèi)爆破鉆孔參數(shù)見表3。

表3 順槽鉆場內(nèi)爆破鉆孔參數(shù)表

圖3 順槽內(nèi)鉆場硐室爆破鉆孔布置示意圖（m）

4 應(yīng)用效果分析

根據(jù)建新煤業(yè)15101 工作面深孔爆破頂板弱化方案，在現(xiàn)場開展工業(yè)性應(yīng)用試驗。為分析深孔爆破預(yù)裂頂板弱化效果，在工作面回采初期監(jiān)測頂板垮落情況及支架載荷變化情況。工作面上三角區(qū)和下三角區(qū)為頂板垮落難度較大的部位，工作面回采12.8 m、14.4 m，上三角區(qū)、下三角區(qū)頂板分別開始垮落，工作面回采24.0 m，能聽到清脆的頂板破斷聲音，后方采空區(qū)出現(xiàn)大面積垮落，液壓支架間空隙基本被冒落的巖塊充填，無法繼續(xù)直觀觀察后方采空區(qū)頂板巖層垮落情況，頂板出現(xiàn)分層、分段垮落，可以較好地避免工作面出現(xiàn)大面積劇烈來壓現(xiàn)象。選取工作面上部5#支架、中部30#支架、下部55#支架載荷監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4，工作面初次來壓步距平均為31 m，周期來壓平均步距為16.2 m，基本頂初次來壓步距相對于爆破前的理論值減小了23.3%（爆破前按照40.4 m 計算），周期來壓步距相對于爆破前減小了14.3%（爆破前按照18.9 m 計算）。由此說明，深孔爆破預(yù)裂后，縮短了基本頂斷裂步距，降低了工作面來壓的強度。

圖4 支架載荷變化曲線

5 結(jié)語

以建新煤業(yè)15101 工作面在厚層堅硬頂板條件下開采為背景，通過工程類比、理論計算、礦壓監(jiān)測等手段，設(shè)計研究深孔爆破預(yù)裂弱化工作面頂板方案并進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。正常頂板條件下，15101 工作面基本頂初次來壓步距40.4～52.2 m，周期來壓步距18.9～23.1 m，結(jié)合工作面巷道布置及圍巖條件，設(shè)計切眼及順槽內(nèi)爆破孔布置參數(shù)及方案。現(xiàn)場應(yīng)用期間監(jiān)測頂板垮落情況及支架載荷，工作面頂板表現(xiàn)為分層、分段垮落，基本頂初次來壓步距約為31 m，平均周期來壓步距為16.2 m，通過深孔爆破預(yù)裂對頂板弱化效果較好，降低了工作面頂板來壓的強度。