新集二礦211113綜采面堅硬頂板深孔預裂爆破技術與實踐

徐庶澤

(中煤新集能源股份有限公司新集二礦，安徽省淮南市，232181)

頂板災害是煤礦五大災害之一，對巷道掘進、工作面回采具有重大影響。特別是在堅硬頂板條件下，煤炭回采后采空區大面積懸露頂板的突然垮落極易形成颶風沖擊，造成人員傷亡和設備損壞。目前工作面處理堅硬頂板的方法主要有高壓注水弱化頂板、滯后爆破處理頂板和超前預爆破處理頂板3種。其中工作面高壓注水弱化頂板技術不適用于工作面頂板存在遇水會膨脹的巖層；滯后爆破處理頂板技術對于老頂巖層高度較大和工作面傾斜長度較大的頂板，處理效果則不理想，并且影響采煤工作面正常循環作業；而超前預爆破處理頂板技術由于超前工作面一定距離對頂板進行破碎放頂，不影響工作面正常生產，且放頂效率高，逐漸成為處理工作面堅硬頂板的一種通用技術。針對超前預爆破技術保證堅硬頂板工作面的安全開采，一些學者已經進行了相應的研究，陳蘇社提出了超深孔爆破強制放頂技術，通過對炮眼布置參數、炮眼裝藥工藝等進行研究，有效解決了活雞兔21204工作面堅硬頂板難以冒落的難題；李冰冰等采用超前預裂爆破方式處理堅硬頂板，并優化了裝藥方式，保證了工作面的正常回采。本文以新集二礦211113綜采面為工程背景，首先模擬了深孔預裂爆破處理堅硬頂板減輕礦壓顯現的機理，再以工作面實際生產地質條件為基礎，制定和確定了深孔預裂爆破方案及炮孔相應參數，保證了工作面的安全高效回采。研究成果為類似地質條件開采提供了寶貴經驗。

1 工作面概況

新集211113工作面位于新集二礦二水平中央采區西翼，東起11#煤層和13#煤層共用軌道上山中部車場及石門，西至03勘探線以西107 m，南距111111采空區7.8～27.6 m，北至11-2#煤層-640 m 底板等高線附近，北部為11-2#煤層未動工區。上距13-1#煤層43.8～75.5 m，平均距離為63.9 m；下距11-1#煤層5.1～27.2 m，平均距離15.0 m。工作面走向長度約為590 m，傾斜長度約為98 m，開采面積約124670 m2。工作面設計采高3.8 m，煤層結構簡單，可采系數為1，屬于穩定煤層，工作面采用走向長壁后退式綜合機械化采煤法，一次采全高、全部垮落法管理頂板。

2 深孔預裂爆破強制放頂機理數值模擬

2.1 數值計算模型

本次模擬采用UDEC數值模擬軟件，模型根據211113綜采面煤層的綜合柱狀圖建立。共有2個計算模型，模型1為堅硬原生頂板未進行預裂爆破時的計算模型，用于模擬原生堅硬頂板下煤層開采后的覆巖運動規律；模型2為堅硬頂板在初采階段進行預裂爆破，模擬其煤層開采后覆巖的運動規律。模型2的數值模型如圖1所示，模型尺寸為300 m×200 m，模型左右邊界和底邊界皆為位移固定，模型的上邊界施加10 MPa應力。模擬參數如表1所示。

圖1 預裂爆破數值模型

巖層體積模量k/GPa剪切模量g/GPa密度d/kg·m-3摩擦角f/(°)內聚力c/MPa抗拉強度t/MPa老底26341637250026132566直接底15881372240021108142611#煤層1402125137528139937偽頂285620842300301855584直接頂191582400261442347老頂251852550282282529

2.2 模擬結果分析

模型預裂爆破前后頂板巖層運動規律數值模擬情況如圖2和圖3所示。

由圖2可知，在堅硬頂板條件下未采取放頂措施直接回采時，工作面偽頂和直接頂隨工作面的推進逐漸垮落，但工作面基本頂不易破斷垮落，懸頂長度很大，而當基本頂達到極限強度破斷時易產生巨大的沖擊載荷，工作面容易發生壓架和颶風沖擊事故。

由圖3可知，當采取放頂措施后頂板巖層隨即冒落充填采空區，可以很大程度上對上覆頂板起到緩沖作用，從而可以大幅度降低來壓強度。且隨著工作面的繼續推進，老頂周期性垮落，懸頂長度較小，不易造成支架的壓死和颶風沖擊事故。此外，當工作面采取預裂深孔爆破措施后，工作面的初次和周期來壓步距與未采取強制放頂措施相比都大大減小，從而減小了工作面的來壓強度。由圖2和圖3聯合表明，未采用深孔預裂爆破強制放頂措施的基本頂初次來壓呈豎“O-X”型頂板破斷形式，如圖4(a)所示。而采用深孔預裂爆破強制放頂措施后，在切眼側基本頂豎向形成了破裂屈服帶，使得頂板初次來壓破斷形式與周期來壓類似，呈“D”形懸臂型破斷形式，在切眼側基本頂垮落下沉量大，如圖4(b)所示。

圖2 堅硬頂板情況下頂板巖層運動規律

圖3 堅硬頂板預裂爆破后頂板巖層運動規律

因此，通過UDEC離散元模擬計算可知，采用強制放頂后可實現基本頂初次垮落步距明顯減小，與周期來壓步距相當，這樣有利于降低頂板大面積來壓造成的沖擊災害，有利于支架的穩定性及頂板安全管理，對工作面安全生產具有重要意義。

3 工作面深孔預裂爆破強制放頂工程實踐

3.1 深孔爆破方案設計

深孔預裂爆破方案設計的核心內容是爆破循環步距、放頂高度、炮孔角度、炮孔深度及炮眼間排距等參數的合理確定，現根據工作面實際地質條件結合相關理論對211113綜采面預裂爆破參數進行合理確定。

(1)爆破循環步距。爆破循環步距的合理確定十分重要，循環步距過小，爆破工作量過大，成本也高；相反，如果循環步距過大又會導致工作面礦壓顯現劇烈，強制放頂卸壓的效果差。而爆破循環步距又與工作面頂板的力學性質、厚度及裂隙發育等情況息息相關，因此，循環步距應該依據工作面的頂板巖石的力學性質、厚度及采場來壓情況等因素綜合確定，其極限步距應該小于工作面采場支架可承受的周期來壓步距。根據以上原則及結合211113工作面實際地質生產條件綜合確定出爆破循環步距為20 m。

(2)放頂高度。不同的放頂高度，工作面回采后對采空區的充填程度不同，顯然放頂高度越大，采空區充填體越大，越有助于減輕老頂來壓時的沖擊載荷，從而減小颶風威脅，但放頂高度越大，其成本越高，因此，確定合理的放頂高度十分必要。根據工作面回采后頂板垮落壓實理論可知，放頂高度可由下式計算得出：

(1)

式中：H——放頂高度，m；

M——采高，m；

Kp——頂板巖石的碎脹系數，一般取1.3。

根據式(1)計算得出工作面的放頂高度為12.67 m。

圖4 強制放頂前后基本頂初次來壓板破斷形式

(3)炮眼角度。炮眼角度是保證堅硬頂板爆破放頂高度和長度的一個重要參數，傾角過大，導致爆破沿煤層傾向方向爆破范圍縮小，炮眼數目增多，工作量增大；傾角過小，雖然可以增大煤層傾向的爆破范圍，但裝藥位置與頂板的距離減小，爆破后可能導致頂板過于破碎，采煤時頂板管理困難。因此，必須確定合理的炮眼角度。根據工作面實際生產地質條件和相關原則，最后確定出工作面的炮眼方向與工作面平行，且不考慮水平角。

(4)炮眼深度。炮眼深度主要由工作面面長和煤層傾角確定，當工作面面長較小時采用單向鉆眼，相反，當面長較大時一般采用雙向鉆眼。由于本工作面面長只有65 m，較小，故炮眼只需在機巷單向鉆進即可。具體的炮眼深度可由下式計算得出：

(2)

式中：L——炮眼深度，m；

l——炮眼在水平方向的投影長度，m；

α——煤層傾角，(°)。

(5)炮眼間排距。炮眼爆破后須將其爆破形成的裂隙相互交圈，形成裂隙網，從而達到較好的破碎效果。故原則上炮眼的長度應小于2倍爆破的裂隙長度。其爆破裂隙圈半徑計算公式很多，本文根據參考文獻中的計算公式得出爆破裂隙圈半徑為0.75 m，因此，工作面炮眼排距不應大于1.5 m。

以上文設計的炮眼參數為基礎，依據211113工作面實際的開采地質條件確定出強制放頂的初始位置為開切眼前方5 m處，且每間隔20 m布設一組炮眼。具體的炮眼布置如圖5所示，其1-1組炮孔布置如圖6所示，1-1組炮孔爆破參數見表2。

3.2 強制放頂效果分析

在211113綜采面根據前面設計的預裂深孔爆破方案進行強制放頂措施，具體的放頂順序為：鉆孔、探孔、透孔、雷管導通、做炮頭、裝藥、封孔、導通檢查、撤人、警戒、聯線、通知礦調度放炮、檢查、解除警報。

表2 1-1組炮孔爆破參數表

圖5 工作面炮眼布置圖

圖6 1-1組炮孔布置

根據工作面液壓支架工作阻力在線監測系統，對工作面上、中、下3個區域的共計6個支架進行工作阻力實時監測，從而根據監測結果分析工作面的來壓情況。其工作面頂板的初次來壓情況見表3。

表3 初次來壓情況

如表3所示，工作面實施預裂爆破強制放頂后，初次來壓步距均值為28.2 m，與不進行強制放頂的初次來壓步距52 m相比減小了23.8 m；同理，強制放頂后工作面支架工作阻力均值為24.1 MPa，相比于不進行強制放頂支架工作阻力均值的38.7 MPa減小了14.6 MPa。且在整個初采期間，強制放頂后頂板垮落基本充滿采空區，頂板運動不劇烈。綜上可以得出，211113綜采面在實施深孔預裂爆破強制放頂技術后，工作面初次來壓強度大大降低，未出現工作面壓架和颶風沖擊事故，表明工作面初采階段實施強制放頂技術后卸壓效果顯著，能夠保證工作面安全生產。

4 結論

(1)UDEC數值模擬得出未采用深孔預裂爆破強制放頂措施的基本頂初次來壓呈豎“O-X”型頂板破斷形式；而采用深孔預裂爆破強制放頂措施后基本頂初次垮落步距明顯減小，且在切眼側基本頂豎向形成了破裂屈服帶，呈“D”形懸臂型破斷形式。

(2)根據211113工作面生產地質情況，制定了深孔爆破方案，并確定了合理的爆破循環步距、放頂高度、炮孔角度、炮孔深度及炮眼間排距。

(3)對弱化后的工作面進行了現場測量，觀測結果表明工作面實施預裂爆破強制放頂后，初次來壓步距減小了23.8 m；工作面支架工作阻力均值減小了14.6 MPa，在整個初采期間來壓強度大大降低，未出現工作面壓架和颶風沖擊事故。

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