預裂爆破鉆孔在堅硬中厚砂巖頂板突出煤層條件下的應用研究

姚建兵

（皖北煤電集團任樓礦，安徽 濉溪 235000）

1 工作面概況

Ⅱ7224N 綜采工作面煤巖層呈近單斜構造，走向近南北，傾向80°～95°，傾角平均15°。工作面72 煤層平均厚度2.1m，煤層賦存較穩定，結構較復雜。煤層受構造影響，局部起伏、變薄現象明顯。老頂為淺灰色細砂巖，細粒結構，塊層狀構造，成分以石英為主，鈣、硅質膠結，平均厚度21m±，性硬，具水平層理。自然狀態下，單向抗壓強度為74.2MPa±。直接頂為淺灰～灰色粉砂巖、泥巖，泥巖含植物化石。粉砂巖，砂質結構，層狀構造，成分以石英為主，鈣質膠結，平均厚度2m±。自然狀態下，單向抗壓強度為67.7～48.9MPa，平均58.3MPa±。底板為灰色粉砂巖，鈣質膠結，性硬，單向抗壓強度57.3MPa±。

任樓礦為煤與瓦斯突出礦井，72 煤層為突出煤層，Ⅱ7224N 工作面屬煤與瓦斯突出危險區域。72煤瓦斯含量7.23m3/t，壓力0.74MPa，工作面相對瓦斯涌出量8.91m3/t。工作面采用后退式傾向長壁綜合機械化采煤方法，自然垮落頂板。

2 高位鉆孔布置及瓦斯治理存在問題

采用區域防突措施后，回采過程前期主要采用風巷高位鉆孔及上隅角埋管抽放采空區瓦斯，風巷高位鉆場間距60m 至70m 布置。在風巷鉆場向工作面方向施工頂板走向高位鉆孔，呈扇形布置。每個鉆場內設計8 至10 個鉆孔，分高低兩排布置，每排布置4 個鉆孔，孔深100m±，孔徑不小于～108mm，終孔位于距煤層頂板8～12m 的裂隙帶中，終孔間距8m，鉆場之間鉆孔壓茬不小于30m。平面布置上靠近風巷的4 個鉆孔全程下設套管。

高位鉆孔抽放過程中，未采取頂板深孔預裂爆破技術措施的高位鉆場抽放濃度較低，煤壁容易片幫，采煤機行走至上隅角附近時切眼風排瓦斯量減少，都容易造成上隅角瓦斯濃度越警，使得工作面停產；上隅角老塘附近頂板退錨后不能及時冒落，存在采空區頂板大面積突然垮落和局部積聚的瓦斯突然涌出的安全隱患。

3 預裂爆破技術對瓦斯治理作用

根據采空區上覆“三帶”理論，高濃度瓦斯主要集中在冒落帶頂部和裂隙帶中下部。但由于是堅硬中厚砂巖頂板，頂板裂隙不發育，布置的高位鉆孔很難和上隅角采空區導通，因此需要弱化頂板，促使裂隙發育、采空區及時冒落。當炸藥在預裂爆破鉆孔內爆炸后，在爆炸應力波、爆炸產生的氣體和煤巖層內原有瓦斯壓力作用下，在巖石中形成爆炸空腔，產生裂隙并擴張原生裂隙，在一定范圍內形成較大的連通裂隙網。在連通裂隙網形成后，高位鉆孔抽放采空區及附近煤體瓦斯的通道進一步打通、增強，高位鉆孔抽放范圍擴大，瓦斯抽放率提高。

在預裂爆破及高位鉆孔抽放影響范圍內的煤體內部瓦斯經“解吸→擴散→滲流”過程，流體含量和流體壓力逐步下降，煤體堅固性系數進一步提高，煤體整體變硬，煤壁片幫、掉頂現象減少，導致煤與瓦斯突出的地應力下降。

4 預裂爆破技術

（1）預裂爆破方案參數及要求

在高位鉆場之間每隔20m 均勻布置一組預裂爆破鉆孔，每組布置三個預裂爆破鉆孔A1、A2、A3，三個預裂爆破鉆孔在一條直線上。預裂爆破鉆孔孔徑均為Φ91mm，鉆孔方位與風巷方位的夾角均為90°，鉆孔控制范圍為距煤層頂板上14m、距風巷下幫31m。A1、A2、A3 孔傾角分別為50°、24°、12°，孔深分別為15m、22m、31m，封孔長度分別為7m、9m、12m。每組采用同一段數雷管串聯同時起爆，先施工預裂爆破孔再施工相應區域的高位抽放鉆孔。預裂爆破鉆孔施工順序：A1 孔打眼、裝藥、封孔→A2 孔打眼、裝藥、封孔→A3孔打眼、裝藥，封孔→本組孔連線爆破。Ⅱ7224N風巷高位鉆孔及預裂爆破鉆孔布置圖如圖1 所示。

（2）材料及工具

材料準備主要有干炮泥、Φ65mm×1000mm 炸藥、導爆索。工具準備主要有 ZLJ4000 型鉆機1 臺、Φ108mm 鉆頭1 個、Φ63.5mm×1.0m 鉆桿100 根、炮泥封孔器1 臺、PVC 炮棍60m、Φ10mm×10m高壓鋼編管5 根。

圖1 Ⅱ7224N 風巷高位鉆孔及預裂爆破鉆孔布置圖

（3）預裂爆破鉆孔參數

預裂爆破鉆孔參數及預裂爆破說明見表1。

表1 預裂爆破鉆孔參數及預裂爆破說明表

5 治理效果

（1）鉆場正常抽放期間，未采用頂板預裂爆破技術措施的鉆場總抽放純量普遍在2～4m3/min，單孔抽放濃度最高在15%以下，鉆場總管路抽放濃度3%～10%；采用頂板預裂爆破措施的鉆場總抽放純量普遍在6～8m3/min，單孔抽放濃度最高可達到80%～90%，鉆場總管路抽放濃度在15%～40%。瓦斯抽放濃度和抽放量明顯提高。

（2）未采取頂板預裂爆破措施上隅角瓦斯濃度平均在0.8%～0.9%左右，采用頂板預裂爆破措施后上隅角瓦斯濃度平均在0.45%左右。上隅角附近瓦斯濃度明顯下降，瓦斯治理壓力降低。

（3）上隅角老塘附近頂板可以及時冒落，消除了采空區頂板大面積突然垮落和瓦斯突然涌出的安全隱患。

（4）隨著煤體堅固性系數提高，煤體整體變硬，綜采工作面煤壁片幫明顯減少，效檢煤樣鉆屑量及解吸指標明顯下降，煤與瓦斯突出危險性降低。

6 結語

（1）目前工作面已經順利回采完畢。頂板預裂爆破技術措施提高了瓦斯抽放率，增強了抽放效果，減少了抽放時間，降低了風排瓦斯量，一定程度地消除了煤層瓦斯突出的危險性，有利于防突和瓦斯綜合治理工作。

（2）頂板預裂爆破鉆孔及其爆破施工對頂板的破碎效果，對高位鉆孔的施工有一定影響，因此必須控制好爆破后高位鉆孔施工的時間點。