某礦堅硬頂板深孔預裂爆破技術

劉亮飛

(汾西礦業(集團)有限責任公司雙柳煤礦)

1 深孔爆破方案設計

1.1 工作面概況

某礦12418工作面開采一水平西一采區8#煤層，工作面標高-726～-544 m，煤層埋深約 630 m，工作面走向長1 767～1 727 m，平均1 747 m，傾斜長220 m，面積375 229 m2，煤層總厚0.9～5.5 m，平均3.5 m，煤層結構簡單，煤層上部有1層夾矸，煤層傾角為2°～22°，平均13°。工作面采用走向長壁后退式采煤法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。工作面的頂底板特征參數如表1所示。緊鄰工作面煤層上方為2.8 m厚的砂質泥巖直接頂，垮落后無法充滿采空區；再向上為厚度約14.50 m的中細砂巖，該巖層為堅硬頂板治理的重點層位。

表1 12418工作面頂底板特征

1.2 頂板處理高度確定

12418工作面煤層厚度平均為3.5 m，采高平均為3.2 m。為確保工作面回采后，采空區能夠充滿矸石，降低頂板來壓沖擊，12418工作面頂板巖層處理的最小范圍為沿工作面頂板至上方10.6 m的區域[5-8]。由該工作面的頂底板條件可知，工作面上方為2.8 m厚的直接頂，直接頂上方為厚14.5 m的基本頂。為減小工作面礦壓顯現，應將基本頂全部切斷，本研究確定的頂板弱化處理高度為17.3 m。

1.3 深孔爆破關鍵參數確定

(1)裝藥不耦合系數。當裝藥不耦合系數較小(小于1.7)時，隨著裝藥不耦合系數的增大，炮孔孔壁所受壓力減小，但孔壁受壓時間增加[1-3]。適當減小孔壁壓力后，炮孔周圍的壓碎區范圍減小且主裂紋分岔數減少，能夠有效提高炸藥能量利用率，有效增大裂隙區范圍。結合該工作面的具體條件確定藥卷直徑為60 mm，炮孔直徑為75 mm，裝藥不耦合系數為1.25。

(2)炮孔間距。本研究對藥卷直徑60 mm、炮孔直徑75 mm時爆破后炮孔周圍裂隙區的范圍進行了計算分析，結果顯示裂隙區半徑為1.17 m；相應的數值模擬結果顯示，裂隙區半徑為1.34 m。裂隙區半徑取理論計算和數值模擬的最小值，即1.17 m。為取得“拉槽”爆破的效果，合理的炮孔間距應為裂隙區半徑的2倍，即2.34 m，本研究取 2.3 m。

(3)封孔長度。本研究經過數值模擬分析認為，當炮孔長度為20 m時，合理封孔長度為6 m，最終確定合理的封孔長度為6.1 m。在具體實踐中，當炮孔長度增大時，封孔長度應當適當增加。

1.4 初采切眼拉槽爆破方案

根據該礦實際生產條件設計的炮孔布置方案如圖1所示。選取的切眼深孔爆破參數如表2所示。

圖1 切眼鉆孔布置示意

藥卷直徑/mm炮孔直徑/mm孔口間距/m孔深/m封孔長度/m終孔距頂板/m炮孔與頂板夾角/(°)60752.3206.117.360

1.5 兩順槽爆破方案

為確保頂板在初采時順利垮落并降低周期來壓步距，需要在切眼前方的上下端頭巷道進行補充爆破[4-5]，炮孔組間隔為25 m，炮孔布置如圖2所示。各個炮孔孔口沿煤層頂板施工，孔口間隔1.0 m。最終的確定兩順槽超前預裂爆破方案的具體技術參數見表3。

圖2 兩順槽超前預裂爆破炮孔剖面

炮孔編號孔深/m封孔長度/m終孔距煤層頂板/m炮孔與頂板夾角/(°)X#143817.324X#2771417.313X#391251111X#443717.324X#5771217.313X#6912211.011

注：藥卷直徑為60 mm；炮孔直徑為75 mm。

2 爆破效果評價

12418工作面推進12.6 m后，78#～84#架后方的直接頂初次垮落，當工作面推進27.8 m后，所有支架后方均有冒落矸石充填。工作面推進較短距離后，支架后方頂板已基本冒落，冒落矸石能夠接頂，采空區基本被充填滿。從工作面支架的縫隙及上、下隅角向采空區后方觀察，均可見到充滿的矸石，可見，深孔預裂爆破效果明顯。

12418工作面觀測的主要內容為工作面支架壓力，采用在線式支架壓力記錄儀監測綜采工作面支架工作阻力。2017年9月30日完成礦壓監測設備安裝工作，截至2017年10月30日，觀測持續31 d，工作面累計推進100.3 m。支架壓力記錄儀沿工作面布置方向布置了15個，監測表明，該工作面頂板的初次來壓步距較小(25.6～34.4 m)，平均為27.8 m。數值模擬分析顯示12418工作面頂板未來進行深孔爆破處理時的初次來壓步距大于56 m，且實際開采過程中，其相鄰類似條件工作面的初次來壓步距在40 m以上，可見本研究堅硬頂板深孔預裂爆破效果顯著，有效減小了工作面的初次來壓步距，避免了由于初次來壓步距過大帶來的安全隱患。

為進一步分析支架的受力狀態，本研究對支架的工作阻力頻率分布特征進行了分析。由圖3可知：支架的工作阻力主要分布于8 000 kN以下，各支架超出額定工作阻力10 800 kN的比例較小，安全閥開啟率極低，支架的工作阻力富裕量較大，可見該工作面采用深孔預裂爆破處理堅硬頂板后礦壓顯現不明顯，深孔爆破取得了較為理想的效果。

圖3 工作面工作阻力頻率分布直方圖

3 結 語

對某礦12418工作面的頂板深孔預裂爆破方案進行了設計。現場試驗結果表明，深孔爆破后，工作面的初次來壓步距大幅減小，支架所受壓力明顯降低，表明爆破參數選取合理，可有效保證該工作面初采期間的安全開采。