基于頂板預(yù)裂爆破關(guān)鍵層改性防治壓架突水災(zāi)害

趙旦實(shí)

(西山煤電集團(tuán)公司 馬蘭礦，山西 太原 030205)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

基于頂板預(yù)裂爆破關(guān)鍵層改性防治壓架突水災(zāi)害

趙旦實(shí)

(西山煤電集團(tuán)公司 馬蘭礦，山西 太原 030205)

以松散承壓含水層下采煤工作面為研究背景，提出了基于頂板預(yù)裂爆破的關(guān)鍵層改性防范工作面壓架突水災(zāi)害的措施。首先對頂板覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行判別，針對覆巖滿足復(fù)合單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的條件，通過頂板預(yù)裂爆破弱化距離煤層10倍采高以內(nèi)的厚硬巖層，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵層層位上移至10倍采高之外，避免覆巖形成復(fù)合單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)而發(fā)生復(fù)合破斷，從而達(dá)到避免壓架突水災(zāi)害的目的。在頂板預(yù)裂爆破防治壓架突水災(zāi)害機(jī)理的基礎(chǔ)上，介紹了基于頂板預(yù)裂爆破進(jìn)行關(guān)鍵層改性措施的適用條件和應(yīng)用方法。

松散承壓含水層；采煤工作面；關(guān)鍵層；頂板預(yù)裂爆破；壓架突水

1 易導(dǎo)致壓架突水災(zāi)害的覆巖結(jié)構(gòu)特征

基于松散承壓含水層下采煤覆巖破斷規(guī)律的研究，結(jié)合工作面壓架突水的工程案例，發(fā)現(xiàn)在松散承壓含水層的載荷傳遞作用下，當(dāng)距離煤層小于10倍采高的頂板范圍內(nèi)存在主關(guān)鍵層，尤其是當(dāng)煤層上方的第1層硬巖層厚度越大時，覆巖越易形成復(fù)合單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，覆巖易發(fā)生整體破斷，導(dǎo)致砌體梁結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)進(jìn)而引發(fā)壓架突水災(zāi)害。易致災(zāi)的覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)類型見圖1. 由圖1可知，主關(guān)鍵層厚度較大，不易隨采動及時破斷，易導(dǎo)致采空區(qū)懸頂，一旦主關(guān)鍵層發(fā)生破斷，必然引起松散承壓含水層下部較大范圍巖層發(fā)生整體破斷，導(dǎo)致壓架突水災(zāi)害發(fā)生。

圖1 易致災(zāi)結(jié)構(gòu)類型圖

2 頂板預(yù)裂爆破的關(guān)鍵層改性機(jī)理

松散承壓含水層下采煤壓架突水災(zāi)害發(fā)生機(jī)理的研究結(jié)果表明，在松散承壓含水層載荷傳遞作用下，并非所有區(qū)域都會發(fā)生壓架突水災(zāi)害，是否具有壓架突水危險(xiǎn)除了與含水層的賦存特性有關(guān)之外，與覆巖結(jié)構(gòu)也有很大關(guān)系。當(dāng)覆巖主關(guān)鍵層距離煤層小于7～10倍采高時，在其破斷時一般會導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的覆巖整體垮落，造成工作面劇烈來壓甚至引發(fā)壓架突水災(zāi)害。對于覆巖關(guān)鍵層距離煤層小于7～10倍采高的情況，提出采用人工預(yù)裂爆破措施對主關(guān)鍵層爆破弱化，使覆巖主關(guān)鍵層位置上移至7～10倍采高以上，從而減小覆巖整體破斷的危險(xiǎn)性。

事實(shí)上，通過對距離煤層10倍采高內(nèi)的堅(jiān)硬巖層實(shí)施爆破弱化，使其不再成為堅(jiān)硬巖層，而實(shí)際的關(guān)鍵層位置上移，大于10倍采高，破壞了關(guān)鍵層復(fù)合破斷的發(fā)生條件。上述頂板預(yù)裂爆破的措施與大同礦區(qū)堅(jiān)硬頂板條件下采用的強(qiáng)制放頂措施有本質(zhì)的不同，根據(jù)文獻(xiàn)的研究，在大同礦區(qū)的堅(jiān)硬頂板條件下，通過采取強(qiáng)制放頂措施，弱化距離煤層一定范圍內(nèi)的堅(jiān)硬頂板，使之成為直接頂，并可以隨采動及時垮落充填采空區(qū)，因此一定意義上可以稱作“人工再造假直接頂”。而本文提出的頂板預(yù)裂爆破措施，雖然也是針對頂板堅(jiān)硬巖層實(shí)施的一項(xiàng)針對性措施，但是其目的是通過預(yù)裂爆破，弱化距離煤層最近的那層關(guān)鍵層，降低其強(qiáng)度，使之不再成為覆巖中的主關(guān)鍵層，進(jìn)而降低關(guān)鍵層復(fù)合破斷致災(zāi)危險(xiǎn)性。頂板預(yù)裂爆破措施防治壓架突水災(zāi)害機(jī)理的示意圖見圖2. 由圖2 a)可知，當(dāng)硬巖層1與硬巖層2同步破斷時，硬巖層1為實(shí)際的主關(guān)鍵層，這種破斷形式容易導(dǎo)致采場壓架突水事故發(fā)生，通過預(yù)裂爆破弱化距離煤層最近的厚硬巖層(關(guān)鍵層1)，降低其強(qiáng)度，其承載性能降低，從而不再成為主關(guān)鍵層，而其上的硬巖層2成為主關(guān)鍵層，見圖2b).

圖2 頂板預(yù)裂爆破措施防治壓架突水災(zāi)害的機(jī)理示意圖

3 基于頂板預(yù)裂爆破的關(guān)鍵層改性原則和方法

3.1 預(yù)裂爆破的層位要求

當(dāng)關(guān)鍵層距離煤層間距小于10倍采高層時，覆巖易表現(xiàn)為復(fù)合單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，造成覆巖關(guān)鍵層破斷后砌體梁結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)，引發(fā)工作面壓架突水事故。因此，當(dāng)覆巖結(jié)構(gòu)滿足上述致災(zāi)條件時，需要采用頂板預(yù)裂爆破措施，降低該主關(guān)鍵層強(qiáng)度，減小其破斷步距，使其能隨采動及時破斷，避免在采空區(qū)形成大面積懸頂。

基于致災(zāi)機(jī)理的分析，在進(jìn)行頂板預(yù)裂爆破方案設(shè)計(jì)時，要以破斷距離煤層間距10倍采高以內(nèi)的主關(guān)鍵層為目標(biāo)。圖1所示的覆巖結(jié)構(gòu)屬于易導(dǎo)致覆巖整體破斷的結(jié)構(gòu)類型，而采用頂板預(yù)裂爆破后，會導(dǎo)致20.17 m的主關(guān)鍵層強(qiáng)度降低，破斷步距減小，不易成為覆巖中的主關(guān)鍵層，其上22.11 m的硬巖層將成為爆破后的主關(guān)鍵層，其與煤層間距為43.36 m，遠(yuǎn)大于10倍煤層采高，距離煤層較遠(yuǎn)，其下巖層受爆破弱化影響已發(fā)生破斷，覆巖不會發(fā)生整體破斷。同時，下位巖層破斷、垮落后充填采空區(qū)也使得主關(guān)鍵層下部懸頂空間明顯減小，主關(guān)鍵層破斷時回轉(zhuǎn)下沉量較小，對工作面的影響很小，一般不會導(dǎo)致壓架突水災(zāi)害。人工頂板預(yù)裂爆破后覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)類型見圖3. 在進(jìn)行頂板預(yù)裂爆破方案設(shè)計(jì)時，必須以破斷煤層頂板10倍采高以內(nèi)的主關(guān)鍵層為基本要求。

圖3 人工頂板預(yù)裂爆破后關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)類型圖

在現(xiàn)場實(shí)踐中，該措施的應(yīng)用往往受到客觀條件的影響，若煤層頂板條件不好，在施工預(yù)裂爆破鉆孔時，會由于鉆孔變形等因素，影響裝藥及爆破的效果。在確定預(yù)裂爆破鉆孔孔口位置時，應(yīng)選擇頂板相對穩(wěn)定的區(qū)域施工鉆孔，盡量避免在煤壁開孔。

3.2 預(yù)裂爆破鉆孔布孔方式的要求

采用頂板預(yù)裂爆破效果以弱化堅(jiān)硬巖層并形成平行于整個工作面的弱面為最優(yōu)，但是爆破鉆孔施工過程中會由于工作面開采參數(shù)的不同導(dǎo)致鉆孔深度變化較大，如面長，硬巖層厚度、堅(jiān)硬程度等，導(dǎo)致施工困難增加，影響成孔、裝藥效果。因此，根據(jù)實(shí)際情況，針對不同面長采用不同的預(yù)裂爆破鉆孔布孔方式。

1) 工作面面長較小。

工作面面長較小時，要在頂板形成平行于工作面的弱面，需要從機(jī)、風(fēng)兩巷施工對穿深孔，布孔方式見圖4. 由于這種布孔方式需要機(jī)、風(fēng)兩巷鉆孔基本上能夠貫穿整個工作面，因此鉆孔深度一般較大，這將受到實(shí)際地質(zhì)條件、鉆機(jī)性能、適宜鉆進(jìn)深度等實(shí)際條件的限制。根據(jù)實(shí)際情況，一般鉆機(jī)鉆進(jìn)深度應(yīng)控制在50～60 m，鉆深過大，鉆桿易在自重作用下彎曲，導(dǎo)致鉆孔不直，易變形，影響裝藥。而且，一般施工對穿鉆孔時，鉆孔深度較大，施工時鉆桿仰角小，在不考慮增設(shè)高位鉆場的情況下，多數(shù)鉆孔將從巷道煤幫開孔，存在較長的鉆孔穿煤區(qū)，容易導(dǎo)致鉆孔變形、堵塞甚至塌孔，影響后期裝藥。對穿鉆孔適用于頂板堅(jiān)硬巖層厚度較大、面長相對較小的工作面，這種布孔方式一般適用于面長100 m以下的工作面。

圖4 機(jī)、風(fēng)巷對穿布孔方式示意圖

2) 工作面面長較大。

事實(shí)上，隨著回采效率的提高，在條件允許的情況下，工作面面長有逐漸增大的趨勢。面長較大時，若要采用機(jī)、風(fēng)兩巷對穿鉆孔的布孔方式，鉆孔深度要更大，且角度會更小，所以在進(jìn)行鉆孔設(shè)計(jì)時，考慮采用端頭弱化結(jié)合步距控制的方式布置鉆孔。這種布孔方式除了要使鉆孔孔底位置能夠達(dá)到所要弱化的堅(jiān)硬巖層外，還需要在工作面兩巷施工沿工作面推進(jìn)方向的端頭弱化鉆孔，使頂板堅(jiān)硬巖層的受力狀態(tài)由爆破前的三邊固支、一邊簡支改變?yōu)橐贿吂讨А⑷吅喼В鶕?jù)傳統(tǒng)礦壓理論，老頂?shù)钠茢嗖骄嗪笳咭∮谇罢撸虼嗽谶M(jìn)行爆破設(shè)計(jì)時，需要進(jìn)行側(cè)向弱化，以達(dá)到使厚硬頂板及時破斷的目的。

3.3 頂板預(yù)裂爆破時施工要求

1) 由于頂板巖層一般較為堅(jiān)硬，因此在鉆孔鉆進(jìn)時要求以慢速位置，在軟巖、硬巖交界面處尤其要放慢鉆進(jìn)速度，加大沖孔水量，避免不均勻鉆進(jìn)、快速鉆進(jìn)時鉆孔不直的現(xiàn)象出現(xiàn)。2) 工作面進(jìn)行頂板預(yù)裂爆破的現(xiàn)場施工時，要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行，避免出現(xiàn)因?qū)嶋H情況變化而隨意更改設(shè)計(jì)參數(shù)的情況。若確實(shí)遇特殊情況需要調(diào)整參數(shù)，需先進(jìn)行匯報(bào)申請，經(jīng)討論、修改后再行施工。3) 在進(jìn)行頂板預(yù)裂爆破鉆孔的施工時，若在鉆進(jìn)過程中遇到頂板巖性明顯變化的情況，需對頂板中堅(jiān)硬巖層的變化情況進(jìn)行記錄，以便更為詳細(xì)地掌握頂板巖性變化情況，為后續(xù)工作面的開采提供參考依據(jù)。

3.4 爆破步距確定依據(jù)

人工預(yù)裂爆破步距的確定一般要參考頂板的實(shí)測來壓步距。爆破步距一般小于頂板的來壓步距。同時，要結(jié)合工作面支架的支護(hù)阻力，計(jì)算其可以允許的頂板懸露長度。這里以支架阻力能夠控制頂板8倍采高以內(nèi)的巖層重量為準(zhǔn)，計(jì)算可以允許的頂板懸露長度(包括支架控頂長度)。其計(jì)算公式見式(1)：

L=P/(8Mbγ)(1)

式中：

L—頂板懸露長度，m；

P—支架額定工作阻力，kN；

M—煤層采高，m；

b—支架寬度，m；

γ—平均容重，kN/m3.

4 總 結(jié)

基于松散承壓含水層下采煤覆巖破斷規(guī)律的研究，提出了基于頂板預(yù)裂爆破的關(guān)鍵層改性來防范工作面壓架突水災(zāi)害的措施。首先對頂板覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行判別，針對覆巖滿足復(fù)合單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的條件，通過頂板預(yù)裂爆破弱化距離煤層10倍采高以內(nèi)的厚硬巖層，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵層層位上移至10倍采高之外，避免覆巖形成復(fù)合單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)而發(fā)生復(fù)合破斷，從而達(dá)到避免壓架突水災(zāi)害的目的。在掌握頂板預(yù)裂爆破防治壓架突水災(zāi)害機(jī)理的基礎(chǔ)上，總結(jié)了基于頂板預(yù)裂爆破進(jìn)行關(guān)鍵層改性措施的適用條件和應(yīng)用方法。

[1] 劉新杰,張 信,林 超.薄煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].山東煤炭科技，2011(01):22-26.

[2] 苑玉杰,趙 強(qiáng),李少本.“兩硬”條件下綜采工作面的礦壓規(guī)律與圍巖控制技術(shù)探討[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2008(02):47-49.

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TechnologiesonPreventionandControlofWaterInrushHazardandStressCausedSupport-crushingBasedonPre-splittingBlastinginKeyStratumaboveRoof

ZHAODanshi

Taking the coal mining face under aquifers as the research background, the paper puts forward measures of pre-cracking blasting above the roof in key stratum to prevent the water inrush. To determine the key roof strata first according to the condition that the overlying stratum being inline with the composite, single, key layer structure. by presplit blasting, the thick and hard rock layers within 10 times the height of coal seam are weakened and the key layers are moved upward to the height of beyond the 10 times coal seam, so to prevent the catastrophe of sudden collapse of the key strata. Besides, the related application requisite condition and operational methods for the presplit are also introduced in the paper.

Aquifer above the working face; Coal face; Key strata; Roof pre-splitting blasting; Water gush

2017-08-21

趙旦實(shí)(1986—)，男，山西古交人，2007年畢業(yè)中國礦業(yè)大學(xué)成教學(xué)院，助理工程師，主要從事采煤技術(shù)工作

(E-mail)1557519378@qq.com

TD745+.2

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1672-0652(2017)11-0008-04