綜采工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用研究

孟令新

（錫林郭勒盟能源管理綜合行政執(zhí)法支隊(duì)，內(nèi)蒙古 錫林浩特）

引言

綜采工作面上覆頂板存在厚硬巖層容易使采空區(qū)造成大面積懸頂不落，懸頂大面積垮落造成劇烈的礦壓顯現(xiàn)可能造成設(shè)備損壞、人員傷亡等危險(xiǎn)，為保證綜采工作面回采安全，通過理論分析及數(shù)值計(jì)算等方法研究表明，引起工作面和巷道內(nèi)劇烈來壓的主要原因?yàn)楣ぷ髅鎴?jiān)硬頂板，因此設(shè)計(jì)采用深孔爆破頂板預(yù)裂技術(shù)進(jìn)行控制。

1 工作面概況

塬林煤礦W1-108 工作面北側(cè)以運(yùn)順為界與107采空區(qū)相鄰，東側(cè)以設(shè)計(jì)采止線為界，接近ZK11-2 鉆孔。南側(cè)以回順為界與F10 號(hào)斷層相鄰。西側(cè)以切眼為界，接近煤層可采邊界及沖刷變薄帶。對(duì)應(yīng)地表為牧民草場(chǎng)，高程+1 415～+1 421 m 之間，工作面煤層底板高程+1 194～+1 280 m 之間。工作面頂板與地表垂直距離137.2～225.1 m。工作面走向長(zhǎng)819～826 m，傾斜長(zhǎng)132～184 m，回采面積111 612 m2。

W1-108 工作面采用單一煤層一次采全高走向長(zhǎng)壁后退式全部垮落法控制頂板的綜合機(jī)械化采煤方法。W1-108 運(yùn)順、前三角點(diǎn)和W1-108 綜采工作面切眼、回順局部頂板為厚度在8～10 m 以上的砂礫巖堅(jiān)硬頂板，依據(jù)W1-108 工作面具體的地質(zhì)和開采技術(shù)條件設(shè)計(jì)預(yù)裂鉆孔的參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用期間對(duì)頂板進(jìn)行鉆孔窺視。

2 上覆巖層特征分析

2.1 實(shí)見煤層頂板巖性、厚度，裂隙發(fā)育情況分析

煤層頂板為古河流沖刷后沉積形成，凹凸不平的小型溝壑較發(fā)育，局部頂板起伏較大，且斷層附近裂隙發(fā)育，較破碎，局部有片幫現(xiàn)象。運(yùn)、回順沿1#煤層頂板施工，從W1-107 工作面回采期間的實(shí)見及周邊鉆孔資料分析，工作面頂板偶有一層0.05～0.4 m 的泥巖偽頂，發(fā)育范圍不穩(wěn)定。ZK11-2 鉆孔直接頂為中礫巖及泥質(zhì)粉砂巖，實(shí)見厚度1.99 m，基本頂砂礫巖厚度19.1 m；ZK136 鉆孔直接頂為含砂礫巖，實(shí)見厚度5.1 m，基本頂砂礫巖厚度47.4 m;ZK137 直接頂為中砂巖，實(shí)見厚度13.6 m，基本頂為細(xì)砂巖、粉砂巖及中砂巖互層，厚度為16.85 m;ZK146 鉆孔直接頂為泥巖，實(shí)見厚度19.10 m，基本頂為粘土質(zhì)礫巖，厚度6.55 m；ZK155 鉆孔無(wú)直接頂，基本頂為砂礫巖，厚度14.95 m。直接頂為砂礫巖及中砂巖時(shí)，一般較硬，回順的附近直接頂為砂礫巖，呈黃色、泥質(zhì)膠結(jié)，較松散易冒落。如無(wú)斷層、裂隙、滑面等構(gòu)造不易垮落，偶含少量水；為泥巖時(shí)，灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，一般較軟，較易垮落?；卷敾疑蛲咙S色，砂礫狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礫石成分以火山巖、變質(zhì)巖成分為主。

W1-108 綜采工作面從附近的ZK136、ZK137、ZK11-2 鉆孔分析直接頂為中礫巖及泥質(zhì)粉砂巖、含砂礫巖厚度在1.99～13.6 m；基本頂為砂礫巖、細(xì)砂巖、粉砂巖及中礫在1.685～47.4 m，大部頂板為復(fù)合層，有1-2 層頂煤，厚度0.3～0.8 m，由于運(yùn)順與W1-107 采空區(qū)留設(shè)5～6 m 煤柱，受W1-107 采空區(qū)采動(dòng)影響，頂板較破碎，不需預(yù)裂；切眼及回順頂板砂礫巖相對(duì)較厚，回采期間頂板不易冒落，易造成大面積空頂，引發(fā)生冒頂事故，該區(qū)間段需加密預(yù)裂鉆孔，必要時(shí)采取強(qiáng)制放頂措施。

結(jié)論：回順局部頂板為砂礫巖，需進(jìn)行預(yù)裂，回采期間可根據(jù)頂板冒落情況及時(shí)增減預(yù)裂鉆場(chǎng)預(yù)裂鉆孔數(shù)量。

2.2 工作面頂板分析

為了加強(qiáng)工作面頂板管理，避免發(fā)生頂板事故，需要研究分析并最終了解掌握工作面頂板斷裂破壞失穩(wěn)的特征及規(guī)律。將已經(jīng)測(cè)定的上覆各巖層的密度、厚度、彈性模量等物理及力學(xué)參數(shù)帶入覆巖組合巖梁理論公式（公式（1））可以計(jì)算得到覆巖關(guān)鍵層（圖1）。

圖1 W1-108 工作面關(guān)鍵層示意

式中:q1（x）m——工作面項(xiàng)板第一層巖層承受的載荷；ri——頂板第i 層巖層的密度；Hi——頂板第i 層巖層的層厚；Ei——頂板第i 層巖層的彈性模量。

由計(jì)算結(jié)果我們可以知道，W1-108 綜采工作面上覆巖層包含2 層堅(jiān)硬巖層，分別是基本頂（亞關(guān)鍵層）和主關(guān)鍵層。

根據(jù)懸臂梁力學(xué)模型公式（公式（2））進(jìn)行計(jì)算

式中：Lk——第k 層巖層的破斷距離，（k=1，2，3，…，n）；Hk——巖層厚度；Tk——巖層的抗拉強(qiáng)度；q——上覆巖層對(duì)巖層的載荷。

可以得到W1-108 綜采工作面上覆堅(jiān)硬巖層的第一次破斷距離和周期性破斷距離（表1）。關(guān)鍵層的第一次破斷距離大約為32.36～50.15 m，周期性破斷距離大約為22.32～36.5 m。在W1-108 綜采工作面開采期間，關(guān)鍵層破斷距離較大，頂板懸頂面積超過正?？煽胤秶?，關(guān)鍵層第一次破斷和周期性破斷導(dǎo)致工作面第一次來壓和周期性來壓十分劇烈，這種情況是引發(fā)采煤工作面和上下端頭礦壓顯現(xiàn)劇烈的主要原因，為了避免因此形成安全隱患，實(shí)現(xiàn)安全開采，需采取相應(yīng)的措施措施來改善頂板的破裂、斷落狀態(tài)。

表1 W1-108 綜采工作面上覆堅(jiān)硬巖層破斷距離

3 堅(jiān)硬頂板超前深孔爆破弱化技術(shù)

3.1 理論分析

根據(jù)上文的計(jì)算分析結(jié)果可以確定，W1-108 綜采工作面頂板屬于難以正常隨工作面推進(jìn)及時(shí)垮落的堅(jiān)硬巖層，頂板破斷垮落時(shí)會(huì)顯現(xiàn)出強(qiáng)烈的礦井壓力和震動(dòng)沖擊，為了降低工作面礦壓顯現(xiàn)和震動(dòng)沖擊的強(qiáng)度，消除礦井安全隱患，塬林煤礦決定采用預(yù)裂頂板的方式在可控范圍內(nèi)提前破壞頂板，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制放頂。根據(jù)有關(guān)資料顯示和專家意見，目前世界范圍內(nèi)井工開采煤炭行業(yè)井下工作面強(qiáng)制放頂技術(shù)主要有2種：一是注水預(yù)裂法，二是爆破預(yù)裂法。

第一種注水預(yù)裂法，實(shí)際就是向巖層中注入高壓水，一方面巖層在水的侵泡下會(huì)變軟，強(qiáng)度降低；另一方面高壓水形成的壓力會(huì)使變軟的巖層漲裂，從而達(dá)到提前預(yù)裂頂板，進(jìn)而將難以斷裂、垮落的堅(jiān)硬頂板弱化變得不在堅(jiān)硬。但這種方法施工周期長(zhǎng)，且對(duì)巖層有要求，不具有普適性。

第二種爆破預(yù)裂法，顧名思義，就是使用炸藥等爆炸物對(duì)頂板進(jìn)行爆破。通過控制爆破裝藥量和爆破深度、調(diào)整爆破孔距等手段將堅(jiān)硬的頂板炸裂形成符合要求裂隙，破壞巖層的完整性，實(shí)現(xiàn)頂板預(yù)裂，達(dá)到頂板能隨著工作面的不斷推進(jìn)及時(shí)斷裂垮落的目的。目前，爆破使用的爆炸物不僅有炸藥，還有液態(tài)二氧化碳。使用液態(tài)二氧化碳進(jìn)行爆破爆成本太高，不具有普遍意義，且塬林煤礦是低瓦斯礦井，使用炸藥爆破既經(jīng)濟(jì)又能滿足需求。從工藝上進(jìn)行區(qū)分，使用炸藥爆破進(jìn)行預(yù)裂有2 種工藝：一種是淺孔循環(huán)式爆破，另一種是深孔（炮孔深15 m 以上）預(yù)裂式爆破。從前文可知，W1-108 綜采工作面頂板厚度大于15 m，應(yīng)采用深孔預(yù)裂爆破，其優(yōu)點(diǎn)是不影響工作面的正常生產(chǎn)，且較安全，效果也是最直接、明顯，是國(guó)內(nèi)目前常采用的強(qiáng)制放頂?shù)姆椒ā?/p>

因此，設(shè)計(jì)在W1-108 綜采工作面超前回順及三角點(diǎn)進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破，縮短頂板的破斷距離，使頂板巖層在破斷垮落時(shí)引發(fā)的周期性來壓和震動(dòng)震動(dòng)沖擊在可控范圍內(nèi)。頂板深孔預(yù)裂爆破鉆孔直徑不宜過大，既要考慮巖性，又要考慮爆破效果，還要安全可控。在達(dá)到預(yù)裂效果的同時(shí)，爆破不能損毀巷道，經(jīng)過多次試驗(yàn)調(diào)整，最后結(jié)合W1-108 工作面現(xiàn)場(chǎng)爆破作業(yè)條件，設(shè)計(jì)預(yù)裂爆破孔的直徑為7.5 cm。炸藥在炮孔內(nèi)引爆后，炮孔周圍巖層由內(nèi)向外形成3 個(gè)區(qū)域：破碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)。當(dāng)炮孔間距合理時(shí)，相鄰炮孔之間的裂隙區(qū)會(huì)相互聯(lián)通，從而使預(yù)裂爆破區(qū)內(nèi)的頂板出現(xiàn)規(guī)則的貫通裂隙，達(dá)到降低頂板強(qiáng)度的目的。實(shí)踐證明，采用耦合裝藥方式進(jìn)行預(yù)裂爆破效果要比不耦合裝藥方式好，其爆破產(chǎn)生的初始沖擊力Pr根據(jù)爆破初始沖擊力計(jì)算公式（3）進(jìn)行計(jì)算為：30 209 MPa。

式中：ρ0——炸藥的密度，為1.23×10 kg/m3；D——炸藥的爆速，為4 350 m/s；db——炮孔直徑，為7.5 cm；dc——炸藥藥卷直徑，為7.5 cm；n——爆炸時(shí)爆生氣體的應(yīng)力增大倍數(shù)，取10。

當(dāng)預(yù)裂爆破炮孔直徑為7.5 cm 時(shí)，爆破后以炮孔為中心形成的圓形裂隙區(qū)半徑R 根據(jù)爆破裂隙區(qū)半徑計(jì)算公式（4）進(jìn)行計(jì)算為：3.132 m。

式中：V——巖石泊松比，取0.2；σt——抗 拉 強(qiáng) 度 6.35 MPa；a——衰減指數(shù)1.5。

為了達(dá)到大面積破壞頂板完整性降低頂板強(qiáng)度，采用深孔爆破對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行預(yù)裂，需要同時(shí)布置多個(gè)鉆場(chǎng)同時(shí)起爆。W1-108 綜采工作面超前地應(yīng)力集中范圍為30～50 m， 為避免工作面前方形成多度的應(yīng)力集中和能量積聚，設(shè)計(jì)超前工作面15 m， 一次性對(duì)15～60 m 范圍頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破。

3.2 深孔預(yù)裂爆破炮眼布置

（1） W1-108 綜采工作面預(yù)裂鉆場(chǎng)間距30 m布置，鄰近切眼1、2#鉆場(chǎng)間距15 m 布置；每個(gè)鉆場(chǎng)布置5 個(gè)預(yù)裂鉆孔，終孔位置均位于煤層頂板往上8 m，預(yù)裂后實(shí)際生產(chǎn)過程中根據(jù)頂板垮落情況，可適當(dāng)減少或加密鉆孔，當(dāng)頂板加密預(yù)裂后，前三角點(diǎn)仍存在有冒落不充分、懸頂面積大的現(xiàn)象時(shí)，需采取強(qiáng)制放頂措施，確?；夭珊蟮牟煽諈^(qū)頂板及時(shí)冒落，安全回采。

（2） 回順設(shè)計(jì)預(yù)裂鉆場(chǎng)15 個(gè)，預(yù)裂孔73 個(gè)。鉆孔總工程量1 393 m，總裝藥長(zhǎng)度925 m，總裝藥量2 775 kg，封泥總長(zhǎng)度468 m，導(dǎo)爆索總長(zhǎng)度2 153 m，雷管146 枚。詳見表2 回順頂板預(yù)裂鉆孔爆破參數(shù)。切眼設(shè)計(jì)預(yù)裂鉆場(chǎng)2 個(gè)，預(yù)裂孔6 個(gè)。鉆孔總工程量157 m，總裝藥長(zhǎng)度104 m，總裝藥量312 kg，封泥總長(zhǎng)度53 m，導(dǎo)爆索總長(zhǎng)度234 m，雷管12 枚。詳見表3 切眼預(yù)裂鉆孔爆破參數(shù)。切眼補(bǔ)充鉆孔6 個(gè)，工程量95 m，總裝藥長(zhǎng)度68 m，總裝藥量204 kg，封泥總長(zhǎng)度27 m，導(dǎo)爆索總長(zhǎng)度146 m，雷管12 枚。

表2 回順頂板預(yù)裂鉆孔爆破參數(shù)

表3 切眼預(yù)裂鉆孔爆破參數(shù)

4 深孔預(yù)裂爆破效果

為驗(yàn)證W1-108 工作面采用深孔爆破對(duì)頂板的預(yù)裂效果，對(duì)工作面頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破后，在回風(fēng)順槽的頂板中部布置窺視鉆孔，鉆孔直徑為7.5 cm，長(zhǎng)度為30 m， 統(tǒng)計(jì)鉆孔不同深度條件下裂隙的數(shù)量，整理得到圖2 所示的結(jié)果。

圖2 超前工作面頂板裂隙數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

可以看出，頂板巖層內(nèi)隨著窺視深度的增大，裂隙數(shù)量逐漸減小，但20 m 范圍內(nèi)頂板裂隙發(fā)育較完全，超前工作面預(yù)裂鉆孔爆破范圍內(nèi)裂隙發(fā)育較穩(wěn)定并且堅(jiān)硬頂板存在破碎與裂隙并存狀態(tài)，由此可知頂板預(yù)裂爆破取得了較理想的效果。

結(jié)束語(yǔ)

據(jù)塬林煤礦煤層地質(zhì)條件，理論分析及頂板窺視實(shí)見，并且根據(jù)W1-108 綜采工作面回采情況，實(shí)際證明堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。深孔爆破后工作面第一次來壓和周期性來壓距離明顯減小，能夠減小采空區(qū)懸頂面積，能夠避免采空區(qū)大面積垮落對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)造成的威脅，確保了工作面安全生產(chǎn)，對(duì)工作面及兩順礦壓控制具有積極意義。