恒源煤業(yè)151303工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)研究

趙海峰

（晉煤集團(tuán)澤州天安恒源煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

山西晉煤集團(tuán)澤州天安恒源煤業(yè)151303工作面位于15#煤層一采區(qū)，所采煤層為15#煤層，煤層均厚2.69m，平均傾角為4°，屬全區(qū)穩(wěn)定可采中厚煤層；煤層直接頂為K2灰?guī)r，厚度較大，均厚8.63m，底板為泥巖，均厚為2.11m，工作面采用一次采全高綜采的采煤方法，由于工作面頂板較為堅(jiān)硬，相鄰工作面未對(duì)頂板采取任何措施進(jìn)行回采作業(yè)時(shí)，基本頂初次來壓步距為55～60m，周期來壓步距為30～35m，回采過程中煤壁片幫與支架壓架的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，端頭懸頂較長(zhǎng)，工作面端面頂板的最大下沉量大1.1m，對(duì)工作面的安全高效回采造成了較大影響，故為保障151303工作面回采工作的順利進(jìn)行，現(xiàn)對(duì)采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)工作面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行提前處理。

2 深孔預(yù)裂爆破技術(shù)

2.1 深孔預(yù)裂爆破技術(shù)

深孔預(yù)裂爆破技術(shù)即為通過鉆孔爆破的方式對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化，堅(jiān)硬頂板采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)后，隨著回采工作面的向前推進(jìn)，采空區(qū)的懸頂長(zhǎng)度會(huì)逐漸增大，頂板堅(jiān)硬巖層在地應(yīng)力和自重應(yīng)力的作用下，會(huì)在預(yù)裂爆破孔周圍薄弱帶的位置處發(fā)生破斷，深孔預(yù)裂爆破技術(shù)的主要效果取決于預(yù)裂爆破造成巖石損傷范圍的大小，進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破作業(yè)時(shí)，其技術(shù)流程主要為：①計(jì)算分析具體巖層鉆孔周圍質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)的額速度分布；②開展現(xiàn)場(chǎng)深孔預(yù)裂爆破試驗(yàn)，進(jìn)而有效計(jì)算得出爆破預(yù)裂損傷的判別計(jì)算式；③基于質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度對(duì)爆破損傷的范圍進(jìn)行有效預(yù)測(cè)；其質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度判別的計(jì)算式如下：

式中：PPV為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，m/s；[ε]為巖石的允許應(yīng)變值；Cp為巖體的縱波速度，m/s；E為巖體的彈性模量，MPa；[σc]為巖體的抗壓強(qiáng)度，MPa；k為[σc]與[σt]之間的關(guān)系系數(shù)一般取為 1/6～1/8；[σt]為巖體的抗拉強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)相關(guān)理論研究可知[1-2]，針對(duì)不同巖體進(jìn)行深孔爆破作業(yè)時(shí)，其損傷爆破時(shí)質(zhì)點(diǎn)速度的參考建議值見表1。

表1 巖石爆破損傷PPV臨界值

深孔預(yù)裂爆破技術(shù)中確定裝藥周圍巖體質(zhì)點(diǎn)峰值速度分布及判別公式，其中炮孔質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和炮孔內(nèi)爆生氣體的初始?jí)毫Φ谋磉_(dá)式為：

式中：k0為一次起爆作業(yè)時(shí)與炮孔個(gè)數(shù)有關(guān)的系數(shù)；R為巖石質(zhì)點(diǎn)與爆源之間的距離，m；b為炮孔的半徑，m；ρ為巖石的密度，kg/m3；p0為炮孔內(nèi)部爆生氣體的初始?jí)毫Γ琈Pa；ρe為炸藥的密度，kg/m3；k為絕熱指數(shù)，一般近似取為3；De為炸藥的爆速，m/s；kd為炮孔裝藥不耦合系數(shù)，kd=db/dc，其中dc為藥卷直徑；db為炮孔的直徑。根據(jù)151303工作面具體的地質(zhì)條件，確定深孔預(yù)裂爆破作業(yè)采用2號(hào)煤礦許用乳化炸藥；藥卷長(zhǎng)度為500mm，直徑為dc=60mm，爆速 De=3000 kg/m3；藥卷密度 ρe=1250 kg/m3；炮孔直徑db=75mm;取不耦合系數(shù)為1.25；將上述數(shù)據(jù)代入式（1）和（2）中能夠得出質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度v0=41.4m/s。

在進(jìn)行正式深孔預(yù)裂爆破作業(yè)前，通過在回風(fēng)巷設(shè)置炮孔深度為30m，裝藥量為69kg，裝藥長(zhǎng)度為23m進(jìn)行試驗(yàn)，得出在距離深孔預(yù)裂爆破孔11m的位置處其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為24.91cm/s，結(jié)合表1可知該參數(shù)下深孔爆破能夠?qū)?1m范圍內(nèi)的巖體形成不同程度的損傷。

2.2 數(shù)值模擬分析

為有效研究進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破作業(yè)時(shí)，根據(jù)151303工作面各巖層的物理力學(xué)參數(shù)和炸藥的各項(xiàng)參數(shù)，采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件，對(duì)深孔預(yù)裂爆破作業(yè)時(shí)巖石合理的間距進(jìn)行分析，設(shè)置鉆孔直徑為75mm，計(jì)算范圍取為4.5m，分別模擬分析深孔預(yù)裂爆破孔間距為0.8m、2m、3m和4m條件下巖石的應(yīng)力分布狀態(tài)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出不同炮孔間距下巖石的應(yīng)力云圖如圖1所示。

通過具體分析圖1可知，僅改變炮眼之間的間距，其余參數(shù)不變時(shí)，炮孔周圍巖體的應(yīng)力分布仍然會(huì)呈現(xiàn)出較大的差別，當(dāng)炮孔間的間距為0.8m時(shí)，此時(shí)質(zhì)點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度為263cm/s，巖石能夠得到完全破碎；當(dāng)炮孔間距為2m和3m時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度分別為115cm/s和80cm/s，據(jù)此可知在炮孔間距為2m或3m時(shí)，炮孔周圍4.5m的巖體會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的徑向和拉伸裂隙；在炮孔的間距為4m時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度為61cm/s，此時(shí)巖體僅會(huì)出現(xiàn)輕微的拉伸層裂；炮孔的間距在0.8m～4m的范圍內(nèi)時(shí)，深孔爆破后巖體的應(yīng)力均出現(xiàn)相互交圈的形式，但考慮到炮孔間距較小時(shí)，工作面回采作業(yè)時(shí)頂板較難管理，炮孔間距較大時(shí)，深孔預(yù)裂爆破的效果不明顯；基于上述分析，考慮到151303工作面的具體情況，在保證爆破效果的情況下，確定了深孔預(yù)裂爆破炮孔的間距為2m。

圖1 不同炮孔間距下巖石的應(yīng)力云圖

2.3 方案設(shè)計(jì)

1）爆破孔直徑與長(zhǎng)度。根據(jù)眾多相關(guān)深孔預(yù)裂爆破的理論研究與工程實(shí)踐[3-4]，深孔預(yù)裂爆破孔的直徑范圍一般在60～80mm之間，結(jié)合151303工作面的具體情況，確定爆破孔的直徑為75mm，在現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用時(shí)，在保證爆破效果與安全的情況下，盡可能的減小爆破孔的長(zhǎng)度，基于此確定爆破孔長(zhǎng)度在11～42m之間。

2）爆破鉆孔布置形式。結(jié)合工作面的具體情況，確定在工作面兩回采巷道內(nèi)工作面煤壁側(cè)通過開挖鉆孔硐室的方式，在硐室內(nèi)打設(shè)預(yù)裂鉆孔進(jìn)行超前工作面的頂板深孔爆破預(yù)裂作業(yè)，鉆場(chǎng)硐室尺寸為寬×深=4m×3.5m，兩回采巷道之間鉆場(chǎng)的間距為30m，鉆場(chǎng)內(nèi)的爆破孔采用兩種方式布置，一種平行于工作面，另一種與巷道延伸軸線成一定的角度布置，具體鉆場(chǎng)硐室內(nèi)的鉆孔布置形式示意如圖2所示，圖中A～E號(hào)爆破鉆孔平行于工作面呈扇形布置，用以切斷工作面推進(jìn)方向上頂板的相互連結(jié)，F(xiàn)～H號(hào)鉆孔與兩巷延伸線成18°扇形布置，用以切斷工作面頂板與回采巷道一側(cè)之間的連接，具體兩回采巷道內(nèi)頂板預(yù)裂鉆孔布置的各項(xiàng)參數(shù)見表2。

圖2 鉆場(chǎng)硐室內(nèi)爆破鉆孔布置形式示意圖

表2 深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置及爆破參數(shù)表

4）爆破順序及聯(lián)線方式。在151303工作面兩回采巷道進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破作業(yè)時(shí)，采用靠近工作面向遠(yuǎn)離工作面的方式進(jìn)行依次爆破作業(yè)，即爆破順序?yàn)?A、B→C、D→E、G→H→F；進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)鉆孔的聯(lián)線方式采用局部并聯(lián)、總體串聯(lián)的方式，具體爆破孔的聯(lián)線方式如圖3所示。

圖3 爆破鉆孔雷管聯(lián)線方式示意圖

3 深孔預(yù)裂爆破效果分析

為了分析評(píng)價(jià)151303工作面深孔預(yù)裂爆破的效果，沿著工作面走向方向?qū)Σ糠忠簤哼M(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，具體對(duì)工作面 1#、5#、10#、15#、90#、95#、100#和105#支架的工作阻力進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，從工作面兩巷采用頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)后進(jìn)行監(jiān)測(cè)作業(yè)，進(jìn)行5次周期來壓的監(jiān)測(cè)作業(yè)，通過自動(dòng)記錄儀器對(duì)支架的工作阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)記錄，工作面測(cè)區(qū)布置如圖4所示。

圖4 工作面礦壓觀測(cè)站布置形式示意圖

根據(jù)工作面礦壓結(jié)果可知，151303工作面采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)后，頂板冒落較為充分，隨著回采作業(yè)的進(jìn)行，采空區(qū)頂板隨著支架的移動(dòng)向前移動(dòng)而逐漸發(fā)生垮落，當(dāng)工作面頂板出現(xiàn)來壓期間，頂板周期來壓的最大步距為22m，最小步距為13m，且工作面端頭三角區(qū)域頂板能夠充分冒落，監(jiān)測(cè)期間支架再頂板未來壓期間，其工作阻力為26～30MPa，頂板周期來壓期間工作阻力均在33～38MPa之間，基于此可知在工作面回采期間液壓支架的工作阻力較為合理，另外根據(jù)151303工作面回采過程中的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，工作面回采過程中未出現(xiàn)煤壁片幫的情況，工作面端頭頂板也表現(xiàn)為隨采隨落的情況，未出現(xiàn)懸頂情況，據(jù)此可知151303工作面堅(jiān)硬頂板采用超前深孔松動(dòng)爆破后有效的縮短了工作面的懸頂長(zhǎng)度、解決了工作面煤壁易片幫及端頭懸頂過長(zhǎng)的問題。

4 結(jié) 論

通過具體分析深孔預(yù)裂爆破技術(shù)的機(jī)理，并采用數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)爆破孔間合理的間距進(jìn)行了模擬分析，結(jié)合工作面的具體情況對(duì)超前深孔預(yù)裂爆破方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，151303工作面采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)后，基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄嘤?0～35m減小為13～22m，支架的工作阻力均正常，回采過程中無煤壁片幫語支架壓死的情況出現(xiàn)，保證了工作面的正常生產(chǎn)。